JP5818766B2 - Light emitting diode - Google Patents
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Description
本発明は、発光ダイオードに関するものである。 The present invention relates to a light emitting diode.
窒化ガリウム(GaN)を利用した半導体からなるLEDは、優れた光出射率を有し、寿命が長く、また省エネルギーなどの利点を有するので、近年、ディスプレイ装置、電光掲示板、街灯、自動車などの照明素子として広く使用されている。 LEDs made of semiconductors using gallium nitride (GaN) have excellent light emission rates, long lifetimes, and advantages such as energy saving. In recent years, lighting for display devices, electric bulletin boards, street lamps, automobiles, etc. Widely used as an element.
従来のLEDは、一般にn型半導体層と、p型半導体層と、活性層と、n型電極と、p型電極とを含む。前記活性層はn型半導体層とp型半導体層との間に位置する。前記p型電極はp型半導体層に設置され、前記n型電極はn型半導体層に設置される。また、前記p型電極は透明電極である。前記LEDを使用する際、前記p型半導体層及び前記n型半導体層に対して、正電圧及び負電圧をそれぞれ印加することにより、前記p型半導体層及び前記n型半導体層からの電子及び正孔は、前記活性層に移動し且つ互いに結合して可視光を放射する(特許文献1を参照)。 Conventional LEDs generally include an n-type semiconductor layer, a p-type semiconductor layer, an active layer, an n-type electrode, and a p-type electrode. The active layer is located between the n-type semiconductor layer and the p-type semiconductor layer. The p-type electrode is disposed on the p-type semiconductor layer, and the n-type electrode is disposed on the n-type semiconductor layer. The p-type electrode is a transparent electrode. When using the LED, by applying a positive voltage and a negative voltage to the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer, respectively, electrons from the p-type semiconductor layer and the n-type semiconductor layer and a positive voltage are applied. The holes move to the active layer and bond to each other to emit visible light (see Patent Document 1).
しかし、従来のLEDは、光出射率が低いという欠点を有する。この原因は、前記LEDの半導体(窒化ガリウム)の屈折率が、大気の屈折率より大きいので、前記活性層から出射した広角度を有する光が前記LEDの半導体と大気の界面で全反射されることにより、大部分の光が前記LEDの内部に抑制され、熱に変換されて消散するからである。 However, the conventional LED has a disadvantage that the light emission rate is low. The reason for this is that the refractive index of the LED semiconductor (gallium nitride) is larger than the refractive index of the atmosphere, so that light having a wide angle emitted from the active layer is totally reflected at the interface between the LED semiconductor and the atmosphere. This is because most of the light is suppressed inside the LED, converted into heat and dissipated.
従って、前記課題を解決するために、本発明は光出射率が高い発光ダイオードを提供する。 Therefore, in order to solve the above problems, the present invention provides a light emitting diode having a high light emission rate.
本発明の発光ダイオードは、基板と、第一半導体層と、第二半導体層と、活性層と、複数の三次元ナノ構造体と、第一電極及び第二電極と、を含む。前記基板は、対向する第一表面及び第二表面を含み、前記第一半導体層、前記活性層及び前記第二半導体層は、前記基板から離れる方向に沿って、前記基板の第一表面に順に積層され、前記第一電極は、前記第一半導体層に電気的に接続され、前記第二電極は、前記第二半導体層に電気的に接続され、前記基板の第二表面は、該発光ダイオードの光出射面であり、前記複数の三次元ナノ構造体は、前記基板の第一表面か、前記基板の第二表面か、或いは前記基板の第一表面及び第二表面の両方に、一次元アレイの形式によって設置され、各々の三次元ナノ構造体は、一つの第一突部と一つの第二突部とを含み、前記第一突部と前記第二突部とは互いに並列して、同じ方向に延伸し、各々の三次元ナノ構造体の前記第一突部と前記第二突部との間には、一つの第一溝が形成され、各々の隣接する二つの三次元ナノ構造体の間には、一つの第二溝が形成され、前記第二溝の深度は前記第一溝より深い。 The light emitting diode of the present invention includes a substrate, a first semiconductor layer, a second semiconductor layer, an active layer, a plurality of three-dimensional nanostructures, and a first electrode and a second electrode. The substrate includes a first surface and a second surface facing each other, and the first semiconductor layer, the active layer, and the second semiconductor layer are sequentially formed on the first surface of the substrate along a direction away from the substrate. The first electrode is electrically connected to the first semiconductor layer, the second electrode is electrically connected to the second semiconductor layer, and the second surface of the substrate is formed of the light emitting diode. The plurality of three-dimensional nanostructures are one-dimensional on the first surface of the substrate, the second surface of the substrate, or both the first and second surfaces of the substrate. Each three-dimensional nanostructure is installed in the form of an array, and includes one first protrusion and one second protrusion, and the first protrusion and the second protrusion are parallel to each other. , Extending in the same direction, between the first protrusion and the second protrusion of each three-dimensional nanostructure , A first groove is formed, and a second groove is formed between each two adjacent three-dimensional nanostructures. The depth of the second groove is deeper than that of the first groove. .
従来の技術と比べて、本発明の発光ダイオードには、三次元構造体アレイが、複数のM型の三次元ナノ構造体から一次元アレイの形式によって配列されて形成され、また、M型の中の溝と、隣接する二つのM型の間に形成された溝との、深さが異なるので、前記三次元ナノ構造体アレイは、少なくとも両層光子クリスタルに相当している。従って、前記発光ダイオードの活性層から放射された光線の射出率を高めることができる。また、前記三次元ナノ構造体アレイは、前記活性層から放射された大きな角度を有する光線を、小さな角度の光線に変更させ、前記三次元ナノ構造体アレイは、前記活性層から放射された大きな角度を有する光線を小さな角度の光線に変更することにより、前記活性層から放射された光が前記発光ダイオードの内部で伝播する現象を減少させ、前記活性層から放射された光の消耗を減少させる。 Compared with the prior art, in the light emitting diode of the present invention, a three-dimensional structure array is formed by arranging a plurality of M-type three-dimensional nanostructures in the form of a one-dimensional array. Since the depths of the inner groove and the groove formed between two adjacent M-types are different, the three-dimensional nanostructure array corresponds to at least both-layer photonic crystals. Accordingly, it is possible to increase the emission rate of light emitted from the active layer of the light emitting diode. The three-dimensional nanostructure array changes a light beam having a large angle emitted from the active layer to a light beam having a small angle, and the three-dimensional nanostructure array is a large light beam emitted from the active layer. By changing a light beam having an angle to a light beam having a small angle, a phenomenon in which light emitted from the active layer propagates inside the light emitting diode is reduced, and consumption of light emitted from the active layer is reduced. .
以下、本発明の発光ダイオード及びその製造方法の実施例について説明する。以下の各々の実施例において、同じ部材は同じ符号で標示する。 Examples of the light emitting diode and the method for manufacturing the same of the present invention will be described below. In each of the following embodiments, the same member is labeled with the same symbol.
(実施例1)
図1を参照すると、実施例1に係る発光ダイオード10は、基板100と、第一半導体層110と、活性層120と、第二半導体層130と、第一電極112と、第二電極132及び三次元ナノ構造体アレイ140と、を含む。前記基板100は、対向する第一表面と第二表面を含む。前記第一半導体層110、前記活性層120及び前記第二半導体層130は、前記基板100の第一表面に、該第一表面から離れる方向に順に積層される。前記第一電極112は、前記第一半導体層110に電気的に接続されている。前記第二電極132は、前記第二半導体層130に電気的に接続されている。前記三次元ナノ構造体アレイ140は、前記基板100の第一表面に設置されている。
Example 1
Referring to FIG. 1, the light emitting diode 10 according to Example 1 includes a substrate 100, a first semiconductor layer 110, an active layer 120, a second semiconductor layer 130, a first electrode 112, a second electrode 132, and A three-dimensional nanostructure array 140. The substrate 100 includes a first surface and a second surface that face each other. The first semiconductor layer 110, the active layer 120, and the second semiconductor layer 130 are sequentially stacked on the first surface of the substrate 100 in a direction away from the first surface. The first electrode 112 is electrically connected to the first semiconductor layer 110. The second electrode 132 is electrically connected to the second semiconductor layer 130. The three-dimensional nanostructure array 140 is installed on the first surface of the substrate 100.
前記基板100の厚さは、300μm〜500μmである。前記基板100は、SOI(silicon on insulator)、LiGaO2、LiAlO2、Al2O3、Al2O3、Si、GaAs、GaN、GaSb、InN、InP、InAs、InSb、AlP、AlAs、AlSb、AlN、GaP、SiC、SiGe、GaMnAs、GaAlAs、GaInAs、GaAlN、GaInN、AlInN、GaAsP、InGaN、AlGaInN、AlGaInP、GaP:Zn及びGaP:Nの一種又は数種からなることができる。 The substrate 100 has a thickness of 300 μm to 500 μm. The substrate 100 is made of SOI (silicon on insulator), LiGaO 2 , LiAlO 2 , Al 2 O 3 , Al 2 O 3 , Si, GaAs, GaN, GaSb, InN, InP, InAs, InSb, AlP, AlAs, AlSb, AlN, GaP, SiC, SiGe, GaMnAs, GaAlAs, GaInAs, GaAlN, GaInN, AlInN, GaAsP, InGaN, AlGaInN, AlGaInP, GaP: Zn, and GaP: N can be made of one or several kinds.
前記基板100は、前記第一半導体層110に対して、結晶を成長させるための成長表面を提供し、前記成長表面は、前記第一半導体層110の結晶成長を支持する。前記基板100の材料は、前記製造しようとする第一半導体層110の材料に応じて選択可能であるが、前記第一半導体層110の材料と類似する格子定数及び熱膨張係数を有することが好ましい。本実施例において、前記基板100はサファイア基板である。 The substrate 100 provides the first semiconductor layer 110 with a growth surface for growing crystals, and the growth surface supports the crystal growth of the first semiconductor layer 110. The material of the substrate 100 can be selected according to the material of the first semiconductor layer 110 to be manufactured, but preferably has a lattice constant and a thermal expansion coefficient similar to the material of the first semiconductor layer 110. . In this embodiment, the substrate 100 is a sapphire substrate.
前記三次元ナノ構造体アレイ140は、複数の三次元ナノ構造体142を含む。前記三次元ナノ構造体アレイ140は、前記基板100の第一表面に単独で設置されるか、又は、前記基板100と一体構造を有しても良い。好ましくは、前記三次元ナノ構造体アレイ140は、前記基板100と一体構造に形成されても良い。ここで、一体構造とは、前記三次元ナノ構造体142が、前記基板100の第一表面との間に間隙を有することなく、前記第一半導体層110と一体になることを指す。前記三次元ナノ構造体アレイ140は、前記基板100の第一表面に単独で設置される場合、その材料は、前記基板100の材料と同じでも、同じでなくても良い。本実施例において、前記三次元ナノ構造体アレイ140は、前記基板100と一体構造を有する。この場合、前記三次元ナノ構造体アレイ140のパターン化された表面は、前記基板100の前記第一半導体層110に対して、結晶を成長させるための成長表面として用いられる。また、前記基板100の厚さは、400μmである。 The three-dimensional nanostructure array 140 includes a plurality of three-dimensional nanostructures 142. The three-dimensional nanostructure array 140 may be installed alone on the first surface of the substrate 100 or may have an integral structure with the substrate 100. Preferably, the three-dimensional nanostructure array 140 may be formed integrally with the substrate 100. Here, the integrated structure means that the three-dimensional nanostructure 142 is integrated with the first semiconductor layer 110 without having a gap with the first surface of the substrate 100. When the three-dimensional nanostructure array 140 is installed alone on the first surface of the substrate 100, the material may or may not be the same as the material of the substrate 100. In this embodiment, the three-dimensional nanostructure array 140 has an integral structure with the substrate 100. In this case, the patterned surface of the three-dimensional nanostructure array 140 is used as a growth surface for growing crystals on the first semiconductor layer 110 of the substrate 100. The thickness of the substrate 100 is 400 μm.
以下、理解を容易にし、説明をわかり易くするために、前記基板100を、基板本体105と、三次元ナノ構造体アレイ140とに分けて説明する。前記基板本体105と、前記三次元ナノ構造体アレイ140とは、合わさって前記基板100になり、前記基板本体105と、三次元ナノ構造体アレイ140とは、一体構造を有する。前記三次元ナノ構造体アレイ140における各々の前記三次元ナノ構造体142は、突起構造体である。該三次元ナノ構造体142は、前記基板本体105の表面から、該表面を離れる方向に向かって突出する。前記基板本体105の表面において、前記複数の三次元ナノ構造体142の延伸方向は同じである。各々の三次元ナノ構造体142の、その延伸方向での断面は、M型であるが、前記複数の三次元ナノ構造体142の、各々の延伸方向での断面は、それぞれM型であり、且つ形状や面積は各々同じであることが好ましい。 Hereinafter, the substrate 100 will be described by dividing it into a substrate body 105 and a three-dimensional nanostructure array 140 for easy understanding and easy understanding. The substrate body 105 and the three-dimensional nanostructure array 140 are combined to form the substrate 100, and the substrate body 105 and the three-dimensional nanostructure array 140 have an integral structure. Each of the three-dimensional nanostructures 142 in the three-dimensional nanostructure array 140 is a protruding structure. The three-dimensional nanostructure 142 protrudes from the surface of the substrate body 105 in a direction away from the surface. On the surface of the substrate body 105, the extending directions of the plurality of three-dimensional nanostructures 142 are the same. Each of the three-dimensional nanostructures 142 has an M-shaped cross section in the extending direction, but each of the plurality of three-dimensional nanostructures 142 has an M-shaped cross section in each extending direction. In addition, it is preferable that the shape and area are the same.
各々の前記三次元ナノ構造体142は、直線、折れ線或いは曲線によって、前記基板本体105の表面に延伸し、且つ互いに並列する。前記複数の三次元ナノ構造体142において、隣接する二つの前記三次元ナノ構造体142の間の距離は0nm〜200nmである。前記三次元ナノ構造体142の延伸方向は変化しても、或いは変化しなくても良い。前記延伸方向が変化しない場合、前記延伸方向は、直線である。この場合、前記複数の三次元ナノ構造体142は、それぞれ直線で、且つ互いに並列にそれぞれ延伸している。前記延伸方向が変化する場合、前記延伸方向は、折れ線或いは曲線である。この場合、前記複数の三次元ナノ構造体142は、折れ線或いは曲線で、且つ互いに並列にそれぞれ延伸する。前記延伸方向は変化しても、或いは変化しなくても良く、該延伸方向において、任意の点を選び、前記複数の三次元ナノ構造体142の該任意の点におけるその断面は、それぞれM型であることが好ましい。 Each of the three-dimensional nanostructures 142 extends on the surface of the substrate body 105 by a straight line, a broken line, or a curved line and is parallel to each other. In the plurality of three-dimensional nanostructures 142, a distance between two adjacent three-dimensional nanostructures 142 is 0 nm to 200 nm. The extending direction of the three-dimensional nanostructure 142 may or may not change. When the stretching direction does not change, the stretching direction is a straight line. In this case, the plurality of three-dimensional nanostructures 142 are respectively straight and extend in parallel to each other. When the stretching direction changes, the stretching direction is a polygonal line or a curved line. In this case, each of the plurality of three-dimensional nanostructures 142 is a polygonal line or a curved line and extends in parallel with each other. The stretching direction may or may not change, an arbitrary point is selected in the stretching direction, and the cross-sections at the arbitrary points of the plurality of three-dimensional nanostructures 142 are respectively M-shaped. It is preferable that
前記複数の三次元ナノ構造体142は、一次元アレイによって、前記基板本体105の表面に分布して、前記三次元ナノ構造体アレイ140を形成する。ここで、一次元アレイとは、前記複数の三次元ナノ構造体142が、前記基板本体105の表面に、一つの方向に沿って、一次元アレイの形式によって配列することである。また、ここで、一次元アレイの形式によって配列するとは、例えば、図2に示すように、ストリップ状の突部構造体が、一つの方向Y方向に沿って、等間隔に配列すること、又は、同心円状の突部構造及び同心四角状の突部構造が、円心から該円心を離れる一つの方向に沿って同心状に配列されること、を指す。 The plurality of three-dimensional nanostructures 142 are distributed on the surface of the substrate body 105 by a one-dimensional array to form the three-dimensional nanostructure array 140. Here, the one-dimensional array means that the plurality of three-dimensional nanostructures 142 are arranged on the surface of the substrate body 105 along one direction in the form of a one-dimensional array. Here, the arrangement in the form of a one-dimensional array means that, for example, as shown in FIG. 2, strip-like protrusion structures are arranged at equal intervals along one direction Y, or This means that the concentric protrusion structure and the concentric quadrangular protrusion structure are arranged concentrically along one direction away from the circle center.
図2を参照すると、本実施例において、前記三次元ナノ構造体142は、ストリップ状の突起構造体である。該ストリップ状の突起構造体は、直線で同じ方向に沿って延伸している。ここで、前記ストリップ状の突起構造体の延伸する方向をX方向とし、該ストリップ状の突起構造体の延伸する方向と垂直な方向をY方向とする。前記X方向には、該X方向に沿って、前記ストリップ状の突起構造の一端が、対向する他端までそれぞれ延在し、前記Y方向には、該Y方向に沿って、二つの突起構造からなるストリップ状の前記複数の三次元ナノ構造体142が、互いに並列している。また、この際、各々の前記三次元ナノ構造体142のX方向における断面はM型である。従って、前記三次元ナノ構造体142は、M型の三次元ナノ構造体である。 Referring to FIG. 2, in the present embodiment, the three-dimensional nanostructure 142 is a strip-shaped protrusion structure. The strip-shaped protrusion structure is straight and extends along the same direction. Here, the extending direction of the strip-shaped protruding structure is defined as the X direction, and the direction perpendicular to the extending direction of the strip-shaped protruding structure is defined as the Y direction. In the X direction, one end of the strip-shaped protrusion structure extends to the opposite other end along the X direction, and in the Y direction, two protrusion structures extend along the Y direction. The plurality of strip-shaped three-dimensional nanostructures 142 made of are arranged in parallel with each other. At this time, the cross section in the X direction of each of the three-dimensional nanostructures 142 is M-shaped. Accordingly, the three-dimensional nanostructure 142 is an M-type three-dimensional nanostructure.
図4を参照すると、各々の前記M型の三次元ナノ構造体142は、第一突部1422と第二突部1424とをそれぞれ有する。前記第一突部1422と前記第二突部1424との、延伸方向は同じであり、且つそれら互いに並列して、全てX方向に沿って延伸している。前記第一突部1422は、交差する二つの面を有し、該二つの面は、それぞれ第一面1422aと第二面1422bである。前記第一面1422aと前記第二面1422bは、それぞれ平面、曲面或いは折り面でも良い。本実施例において、前記第一面1422a及び前記第二面1422bは、それぞれ平面である。また、前記第一面1422aは、前記基板本体105の表面と離れる方向に延伸して前記第二面1422bと角度θで交差し、前記第一突部1422の先端(図示せず)を形成する。また、前記第一面1422aは、前記基板本体105の表面へ延伸して、前記基板本体105の表面と角度αで交差する。前記角度θの角度は、0°(0°は含まず)〜180°(180°は含まず)であるが、好ましくは、30°〜60°である。前記角度αの角度は0°(0°は含まず)〜90°であるが、好ましくは、80°〜90°である。 Referring to FIG. 4, each of the M-type three-dimensional nanostructures 142 includes a first protrusion 1422 and a second protrusion 1424. The extending directions of the first protrusion 1422 and the second protrusion 1424 are the same, and all of them extend in the X direction in parallel with each other. The first protrusion 1422 has two intersecting surfaces, which are a first surface 1422a and a second surface 1422b, respectively. The first surface 1422a and the second surface 1422b may be a flat surface, a curved surface, or a folded surface, respectively. In this embodiment, the first surface 1422a and the second surface 1422b are flat surfaces. The first surface 1422a extends in a direction away from the surface of the substrate body 105 and intersects the second surface 1422b at an angle θ to form a tip (not shown) of the first protrusion 1422. . The first surface 1422a extends to the surface of the substrate body 105 and intersects the surface of the substrate body 105 at an angle α. The angle θ is 0 ° (not including 0 °) to 180 ° (not including 180 °), and is preferably 30 ° to 60 °. The angle α is 0 ° (not including 0 °) to 90 °, preferably 80 ° to 90 °.
前記第二突部1424の構造は、前記第一突部1422の構造と基本的に同じである。前記第二突部1424は、交差する二つの面を有し、該二つの面は、それぞれ前記第一面1424aと前記第二面1424bである。また、前記第一面1424aは、前記基板本体105の表面と離れる方向に延伸して前記第二面1424bと角度θで交差し、前記第二突部1424の先端を形成する。また、前記第一面1424aは、前記基板本体105の表面へ延伸して、前記基板本体105の表面に角度αで交差する。更に、前記第二突部1424の前記第二面1424bは、前記第一突部1422の前記第二面1422bと、前記基板本体105の表面に近接する部分で交差して、前記三次元ナノ構造体142の第一溝1426を形成する。前記第一突部1422の前記第二面1422bの、前記基板本体105の表面への延伸面は、前記基板本体105の表面に対して角度βで交差する。前記角度βの角度は0°(0°は含まず)〜90°であるが、前記角度αの角度と同じでも、或いは同じでなくても良い。 The structure of the second protrusion 1424 is basically the same as the structure of the first protrusion 1422. The second protrusion 1424 has two intersecting surfaces, which are the first surface 1424a and the second surface 1424b, respectively. The first surface 1424 a extends in a direction away from the surface of the substrate body 105 and intersects the second surface 1424 b at an angle θ to form the tip of the second protrusion 1424. The first surface 1424a extends to the surface of the substrate body 105 and intersects the surface of the substrate body 105 at an angle α. Further, the second surface 1424b of the second protrusion 1424 intersects the second surface 1422b of the first protrusion 1422 at a portion close to the surface of the substrate body 105, and the three-dimensional nanostructure. A first groove 1426 of the body 142 is formed. An extending surface of the second surface 1422b of the first protrusion 1422 to the surface of the substrate body 105 intersects the surface of the substrate body 105 at an angle β. The angle β is 0 ° (not including 0 °) to 90 °, but it may or may not be the same as the angle α.
また、隣接する二つの三次元ナノ構造体142の間には、第二溝1428が形成される。具体的には、一つの前記三次元ナノ構造体142の前記第二突部1424の前記第一面1424aと、隣接するもう一つの前記三次元ナノ構造体142の前記第一突部1422の前記第一面1422aとは、前記基板本体105の表面で交差して、前記第二溝1428を形成する。即ち、一つの前記三次元ナノ構造体142の前記第二突部1424の前記第一面1424aと、隣接するもう一つの前記三次元ナノ構造体142の前記第一突部1422の前記第一面1422aと、の交差線は、前記基板本体105の表面上に存在する。 A second groove 1428 is formed between two adjacent three-dimensional nanostructures 142. Specifically, the first surface 1424a of the second protrusion 1424 of one of the three-dimensional nanostructures 142 and the first protrusion 1422 of another adjacent three-dimensional nanostructure 142 are the same. The second groove 1428 is formed by intersecting the first surface 1422a at the surface of the substrate body 105. That is, the first surface 1424a of the second protrusion 1424 of one three-dimensional nanostructure 142 and the first surface of the first protrusion 1422 of another adjacent three-dimensional nanostructure 142 are the same. A crossing line with 1422 a exists on the surface of the substrate body 105.
前記第一突部1422および前記第二突部1424に関して、前記基板本体105の表面から、前記基板本体105の表面と離れる方向に突出するその高さに対する制限はない。ここで、該前記第一突部1422と前記第二突部1424との高さとは、図4のh2で示すように、前記基板本体105の表面から前記第一突部1422或いは前記第二突部1424の最高点までの距離である。前記第一突部1422の高さと前記第二突部1424の高さは同じでも、或いは同じでなくても良い。前記第一突部1422の高さと前記第二突部1424の高さは、それぞれ150nm〜200nmである。また、前記第一突部1422、或いは前記第二突部1424の最高点の集合体は直線、折れ線或いは曲線でも良い。即ち、前記第一突部1422の前記第一面1422aと前記第二面1422bと交差して形成される交差線は、直線、折れ線或いは曲線である。これと同様に、前記第二突部1424の前記第一面1424aと前記第二面1424bと交差して形成される交差線は、直線、折れ線或いは曲線である。各々の前記三次元ナノ構造体142において、前記第一突部1422の最高点と前記第二突部1424の最高点との距離は、20nm〜100nmである。本実施例において、前記第一突部1422の高さと前記第二突部1424の高さは同じであり、その高さは、180nmである。また、前記第一突部1422の最高点と前記第二突部1424の最高点の集合体は、それぞれ直線である。 Regarding the first protrusion 1422 and the second protrusion 1424, there is no restriction on the height of the first protrusion 1422 and the second protrusion 1424 protruding from the surface of the substrate body 105 in a direction away from the surface of the substrate body 105. Here, the height of the first protrusion 1422 and the second protrusion 1424 is the height of the first protrusion 1422 or the second protrusion from the surface of the substrate body 105, as indicated by h2 in FIG. This is the distance to the highest point of the part 1424. The height of the first protrusion 1422 and the height of the second protrusion 1424 may or may not be the same. The height of the first protrusion 1422 and the height of the second protrusion 1424 are 150 nm to 200 nm, respectively. The highest point aggregate of the first protrusion 1422 or the second protrusion 1424 may be a straight line, a broken line, or a curved line. That is, the intersection line formed by intersecting the first surface 1422a and the second surface 1422b of the first protrusion 1422 is a straight line, a broken line, or a curved line. Similarly, the intersecting line formed by intersecting the first surface 1424a and the second surface 1424b of the second protrusion 1424 is a straight line, a broken line, or a curved line. In each of the three-dimensional nanostructures 142, the distance between the highest point of the first protrusion 1422 and the highest point of the second protrusion 1424 is 20 nm to 100 nm. In the present embodiment, the height of the first protrusion 1422 and the height of the second protrusion 1424 are the same, and the height is 180 nm. The aggregate of the highest point of the first protrusion 1422 and the highest point of the second protrusion 1424 is a straight line.
前記X方向において、前記第一突部1422と前記第二突部1424の断面は、台形或いは三角形である。本実施例において、前記第一突部1422と前記第二突部1424のX方向での断面は、それぞれ三角形である。前記第一突部1422及び前記第二突部1424は、一対の峰を形成し、前記第一突部1422と前記第二突部1424とは接触して、接触線を形成する。また、前記第一突部1422と前記第二突部1424との断面は、互いに同じか、或いは同じでなくても良い。前記第一突部1422と前記第二突部1424との断面が同じである場合、前記第一突部1422と前記第二突部1424とは、対称構造を呈する。ここで、「対称構造」とは、前記第一突部1422と前記第二突部1424との断面が接触線に対して、対称であることを指す。また、前記第一突部1422と前記第二突部1424とは非対称構造であっても良い。本実施例において、前記第一突部1422と前記第二突部1424とは対称構造を呈する。 In the X direction, the cross sections of the first protrusion 1422 and the second protrusion 1424 are trapezoidal or triangular. In the present embodiment, the first protrusion 1422 and the second protrusion 1424 have a triangular cross section in the X direction. The first protrusion 1422 and the second protrusion 1424 form a pair of peaks, and the first protrusion 1422 and the second protrusion 1424 are in contact with each other to form a contact line. Further, the cross sections of the first protrusion 1422 and the second protrusion 1424 may or may not be the same. When the first protrusion 1422 and the second protrusion 1424 have the same cross section, the first protrusion 1422 and the second protrusion 1424 have a symmetrical structure. Here, the “symmetrical structure” indicates that the cross sections of the first protrusion 1422 and the second protrusion 1424 are symmetric with respect to the contact line. The first protrusion 1422 and the second protrusion 1424 may have an asymmetric structure. In this embodiment, the first protrusion 1422 and the second protrusion 1424 have a symmetrical structure.
前記第一突部1422と前記第二突部1424との間には間隙がある、或いは間隔がなくても良い。また、前記第一突部1422と前記第二突部1424とは、前記基板本体105の表面との間に間隙がなくとも接続することができる。製造における制限と他の条件の影響により、前記第一突部1422の前記第一面1422aと前記第二面1422bは平面ではなく、例えば、その一部分の表面が弧面、折れ面であっても良い。この場合、前記第一面1422aと前記第二面1422bと交差して形成された角度θは、尖った角ではなく、弧角などの他の形状である。しかし、該角の具体的な形状は、前記第一突部1422の全体の構造に影響しなければ良い。また、前記第二突部1424のその一部分の表面が弧面、折れ面である場合、前記第二面1424bと前記第二面1424aと交差して形成される角度θも、尖った角ではない。つまり、弧角などの他の形状であり、該角の具体的な形状は、前記第一突部1424の全体の構造に影響しなければ良い。 There may be a gap between the first protrusion 1422 and the second protrusion 1424 or there may be no gap. Further, the first protrusion 1422 and the second protrusion 1424 can be connected even if there is no gap between the surface of the substrate body 105. The first surface 1422a and the second surface 1422b of the first protrusion 1422 are not flat because of limitations in manufacturing and other conditions, for example, even if a part of the surface is an arc surface or a bent surface. good. In this case, the angle θ formed so as to intersect the first surface 1422a and the second surface 1422b is not a sharp angle but another shape such as an arc angle. However, the specific shape of the corner may not affect the overall structure of the first protrusion 1422. In addition, when the surface of a part of the second protrusion 1424 is an arc surface or a bent surface, the angle θ formed by intersecting the second surface 1424b and the second surface 1424a is not a sharp angle. . That is, it is another shape such as an arc angle, and the specific shape of the angle may not affect the overall structure of the first protrusion 1424.
各々のM型を呈する前記三次元ナノ構造体142において、前記第一突部1422と前記第二突部1424との間には、前記第一溝1426がそれぞれ形成されている。前記第一溝1426の延伸する方向は、前記第一突部1422と前記第二突部1424の延伸する方向と同じである。前記第一溝1426の断面の形状はV型である。該V型を呈する溝は、前記三次元ナノ構造体142の表面に位置し、前記三次元ナノ構造体142の延伸方向に沿って延伸する。前記第一溝1426の深度h1は、前記第一突部1422或いは第二突部1424の最高点が位置する面と、前記第一溝1426の最低点が位置する面との間の最短距離を指す。即ち、前記第一溝1426の深度h1は、前記第一溝1426が前記基板本体105の方向に凹む最小距離である。前記各々のM型三次元ナノ構造体142の前記第一溝1426の深度h1は同じである。前記第一溝1426の深度h1は、前記第一突部1422或いは前記第二突部1424の高さh2より小さい。 In the three-dimensional nanostructure 142 exhibiting each M shape, the first groove 1426 is formed between the first protrusion 1422 and the second protrusion 1424, respectively. The extending direction of the first groove 1426 is the same as the extending direction of the first protrusion 1422 and the second protrusion 1424. The first groove 1426 has a V-shaped cross section. The V-shaped groove is located on the surface of the three-dimensional nanostructure 142 and extends along the extending direction of the three-dimensional nanostructure 142. The depth h1 of the first groove 1426 is the shortest distance between the surface where the highest point of the first protrusion 1422 or the second protrusion 1424 is located and the surface where the lowest point of the first groove 1426 is located. Point to. That is, the depth h1 of the first groove 1426 is the minimum distance at which the first groove 1426 is recessed in the direction of the substrate body 105. The depth h1 of the first groove 1426 of each M-type three-dimensional nanostructure 142 is the same. The depth h 1 of the first groove 1426 is smaller than the height h 2 of the first protrusion 1422 or the second protrusion 1424.
前記第二溝1428は、隣接するM型の前記三次元ナノ構造体142の間に形成される。前記第二溝1428の延伸方向は、前記三次元ナノ構造体142の延伸方向と同じである。前記第二溝1428の延伸方向での断面はV型或いは倒立の台形である。 The second groove 1428 is formed between the adjacent M-shaped three-dimensional nanostructures 142. The extending direction of the second groove 1428 is the same as the extending direction of the three-dimensional nanostructure 142. The cross section of the second groove 1428 in the extending direction is V-shaped or an inverted trapezoid.
前記X方向において、各々の点での前記第二溝1428の断面の形状及び面積は基本的に同じであるが、製造における制限と他の条件の影響により、誤差が生じる。しかし、該誤差は、横断面の全体の形状に影響しない程度であることが好ましい。前記第一溝1426と前記第二溝1428との、断面の形状、面積及び深度は全て異なる。前記第二溝1428の深度h2は、前記第一突部1422或いは前記第二突部1424の最高点が位置する面から前記基板本体105の表面までの最小距離である。前記第二溝1428の深度h2と前記第一溝1426の深度h1とは異なる。前記第二溝1428の深度h2は、前記第一溝1426の深度h1より深い。好ましくは、前記第一溝1426の深度h1と前記第二溝1428の深度h2との比率は、1:1.2≦h1:h2≦1:3である。前記第一溝1426の深度h1は30nm〜120nmであり、前記第二溝1428の深度h2は100nm〜200nmである。本実施例において、前記第一溝1426の深度h1は80nmであり、前記第二溝1428の深度h2は180nmである。前記第一突部1422と前記第二突部1424との間の距離及び前記第一溝1426の深度h1と前記第二溝1428の深度h2の比率は、製品の具体的な条件に応じて選択することができる。 In the X direction, the shape and area of the cross section of the second groove 1428 at each point are basically the same, but an error occurs due to restrictions in manufacturing and the influence of other conditions. However, it is preferable that the error does not affect the overall shape of the cross section. The first groove 1426 and the second groove 1428 are all different in cross-sectional shape, area, and depth. The depth h2 of the second groove 1428 is the minimum distance from the surface on which the highest point of the first protrusion 1422 or the second protrusion 1424 is located to the surface of the substrate body 105. The depth h2 of the second groove 1428 is different from the depth h1 of the first groove 1426. The depth h2 of the second groove 1428 is deeper than the depth h1 of the first groove 1426. Preferably, the ratio of the depth h1 of the first groove 1426 and the depth h2 of the second groove 1428 is 1: 1.2 ≦ h1: h2 ≦ 1: 3. The depth h1 of the first groove 1426 is 30 nm to 120 nm, and the depth h2 of the second groove 1428 is 100 nm to 200 nm. In this embodiment, the depth h1 of the first groove 1426 is 80 nm, and the depth h2 of the second groove 1428 is 180 nm. The distance between the first protrusion 1422 and the second protrusion 1424 and the ratio of the depth h1 of the first groove 1426 and the depth h2 of the second groove 1428 are selected according to specific conditions of the product. can do.
各々の前記三次元ナノ構造体142の幅は、前記3次元ナノ構造142がY方向に延在する最大の長さである。本実施例における前記三次元ナノ構造体142の最大幅λとしては、前記三次元ナノ構造体142のX方向での断面の、前記基板本体105の表面で前記Y方向に沿って延伸する長さを指す。前記M型の三次元ナノ構造体142の最大幅λは、100nm〜300nmである。前記基板本体105の表面と離れる方向に沿って、三次元ナノ構造体142の幅は短くなる。即ち、各々の前記三次元ナノ構造体142において、前記第一突部1422の最高点と前記第二突部1424の最高点との間の距離は、前記三次元ナノ構造体142の最大幅より短い。 The width of each of the three-dimensional nanostructures 142 is the maximum length in which the three-dimensional nanostructure 142 extends in the Y direction. As the maximum width λ of the three-dimensional nanostructure 142 in the present embodiment, the length of the cross-section in the X direction of the three-dimensional nanostructure 142 extending along the Y direction on the surface of the substrate body 105. Point to. The maximum width λ of the M-type three-dimensional nanostructure 142 is 100 nm to 300 nm. The width of the three-dimensional nanostructure 142 decreases along the direction away from the surface of the substrate body 105. That is, in each of the three-dimensional nanostructures 142, the distance between the highest point of the first protrusion 1422 and the highest point of the second protrusion 1424 is greater than the maximum width of the three-dimensional nanostructure 142. short.
近接する二つの前記第二溝1428の間の距離は、一つの前記第二溝1428の、前記基板本体105の表面の方向に凹んだ最底点から、該一つの前記第二溝1428に近接するもう一つの前記第二溝1428の、前記基板本体105の方向に凹んだ最底点までの距離である。即ち、近接する二つの前記第二溝1428の間の距離は、前記三次元ナノ構造体142の最大幅である。また、近接する二つの前記三次元ナノ構造体142の間の距離λ0は同じか、或いは同じでなくても良い。前記距離λ0は、前記第一突部1422或いは前記第二突部1424の高さの増加によって増加し、その高さが減少する場合は、該距離λ0も減少する。 The distance between the two adjacent second grooves 1428 is close to the one second groove 1428 from the bottom point of the one second groove 1428 that is recessed toward the surface of the substrate body 105. The distance between the second groove 1428 and the bottom point of the second groove 1428 that is recessed in the direction of the substrate body 105. That is, the distance between the two adjacent second grooves 1428 is the maximum width of the three-dimensional nanostructure 142. Further, the distance λ 0 between two adjacent three-dimensional nanostructures 142 may or may not be the same. The distance λ 0 increases as the height of the first protrusion 1422 or the second protrusion 1424 increases, and when the height decreases, the distance λ 0 also decreases.
前記Y方向において、隣接する二つの前記三次元ナノ構造体142の間の距離λ0は0nm〜200nmである。前記λ0が0である場合、前記第二溝1428の横断面はV型である。しかし、前記λ0>0である場合、前記第二溝1428の横断面は倒立の台形になる。前記Y方向において、複数の前記三次元ナノ構造体142は、前記第二半導体層130に周期性を持って互いに平行に設置される。前記三次元ナノ構造体142の周期Pは100nm〜500nmである。更に、該周期Pと、前記三次元ナノ構造体142の最大幅λと、隣接する二つの前記三次元ナノ構造体142の距離λ0と、は、下記の式(1)を満たす。 In the Y direction, a distance λ 0 between two adjacent three-dimensional nanostructures 142 is 0 nm to 200 nm. When λ 0 is 0, the cross section of the second groove 1428 is V-shaped. However, when λ 0 > 0, the cross section of the second groove 1428 is an inverted trapezoid. In the Y direction, the plurality of three-dimensional nanostructures 142 are arranged in parallel to each other with periodicity in the second semiconductor layer 130. The period P of the three-dimensional nanostructure 142 is 100 nm to 500 nm. Further, a circumferential phase P, a maximum width lambda of the three-dimensional nano-structure 142, a distance lambda 0 of two of the three-dimensional nano-structure 142 adjacent, satisfies the following formula (1).
(式1)
P=λ+λ0 (1)
(Formula 1)
P = λ + λ 0 (1)
前記Pと、前記λ及びλ0の単位は、ナノメートルである。前記周期Pが固定値である場合、λ0が増加すると、λは減少する。これとは逆に、λ0が減少すると、λは増加する。また、前記複数の三次元ナノ構造体142は、複数の周期性によって、前記基板本体105の表面に形成されることもできる。即ち、一部の三次元ナノ構造体142は、周期Pで配列され、もう一部の三次元ナノ構造体142は周期P1(P≠P1)で配列されることができる。前記三次元ナノ構造体142が複数の周期性で配列する場合、その応用できる領域を拡大することができる。本実施例において、前記周期Pは約200nmであり、前記三次元ナノ構造体142の幅λは約190nmである。隣接する二つの前記三次元ナノ構造体142の距離λ0は約10nmである。 The units of P and λ and λ 0 are nanometers. When the period P is a fixed value, λ decreases as λ 0 increases. Conversely, as λ 0 decreases, λ increases. In addition, the plurality of three-dimensional nanostructures 142 may be formed on the surface of the substrate body 105 by a plurality of periodicities. That is, some of the three-dimensional nanostructures 142 may be arranged with a period P, and some of the three-dimensional nanostructures 142 may be arranged with a period P1 (P ≠ P1). When the three-dimensional nanostructure 142 is arranged with a plurality of periodicities, the applicable area can be expanded. In this embodiment, the period P is about 200 nm, and the width λ of the three-dimensional nanostructure 142 is about 190 nm. The distance λ 0 between two adjacent three-dimensional nanostructures 142 is about 10 nm.
前記第一半導体層110は、前記基板100の前記三次元ナノ構造体アレイ140が形成された表面に設置される。前記第一半導体層110は、前記三次元ナノ構造体アレイ140から成長するので、前記第一半導体層110の前記三次元ナノ構造体アレイ140に接触する表面にパターンが形成される。前記第一半導体層110のパターン化表面には、複数の突部と複数の溝が存在し、前記第一半導体層110のパターン化表面に形成されたパターンが、前記三次元ナノ構造体アレイ140のパターンとに互いに噛み合う。即ち、前記第一半導体層110のパターン化表面の突部が、前記三次元ナノ構造体アレイ140の第一溝1426又は第二溝1428に対応して噛み合い、溝が、前記三次元ナノ構造体アレイ140の第一突部1422又は前記第二突部1424に対応して噛み合う。前記第一半導体層110の前記三次元ナノ構造体アレイ140に接触する表面と反対側の表面を、その機能によって第一領域と第二領域と区分され、前記第一領域には、前記活性層120及び第二半導体層130が積層され、前記第二領域には前記第一電極112が設置される。 The first semiconductor layer 110 is disposed on the surface of the substrate 100 where the three-dimensional nanostructure array 140 is formed. Since the first semiconductor layer 110 is grown from the three-dimensional nanostructure array 140, a pattern is formed on the surface of the first semiconductor layer 110 that contacts the three-dimensional nanostructure array 140. The patterned surface of the first semiconductor layer 110 has a plurality of protrusions and a plurality of grooves, and the pattern formed on the patterned surface of the first semiconductor layer 110 is the three-dimensional nanostructure array 140. Mesh with each other. That is, the protrusion on the patterned surface of the first semiconductor layer 110 meshes with the first groove 1426 or the second groove 1428 of the three-dimensional nanostructure array 140, and the groove is the three-dimensional nanostructure. The first protrusions 1422 or the second protrusions 1424 of the array 140 are engaged with each other. The surface of the first semiconductor layer 110 opposite to the surface in contact with the three-dimensional nanostructure array 140 is divided into a first region and a second region according to a function thereof, and the active region includes the active layer. 120 and the second semiconductor layer 130 are stacked, and the first electrode 112 is disposed in the second region.
前記第一半導体層110及び前記第二半導体層130は、それぞれn型半導体層及びp型半導体層の二種類型の内の一種からなる。前記第一半導体層110がn型半導体層である場合、前記第二半導体層130はp型半導体層であるが、前記第一半導体層110がp型半導体層である場合、前記第二半導体層130はn型半導体層である。前記n型半導体層は電子を提供し、前記p型半導体層は正孔を提供する。前記n型半導体層は、n型ガリウム窒化物、n型ガリウムヒ素及びn型リン酸銅の一種又は数種からなる。前記p型半導体層は、p型ガリウム窒化物、p型ガリウムヒ素及びp型リン酸銅の一種又は数種からなる。前記第一半導体層110の厚さは1μm〜5μmである。本実施例において、前記第一半導体層110は、n型ガリウム窒化物である。 The first semiconductor layer 110 and the second semiconductor layer 130 are each one of two types of an n-type semiconductor layer and a p-type semiconductor layer. When the first semiconductor layer 110 is an n-type semiconductor layer, the second semiconductor layer 130 is a p-type semiconductor layer, but when the first semiconductor layer 110 is a p-type semiconductor layer, the second semiconductor layer 130 is an n-type semiconductor layer. The n-type semiconductor layer provides electrons, and the p-type semiconductor layer provides holes. The n-type semiconductor layer is made of one or several kinds of n-type gallium nitride, n-type gallium arsenide, and n-type copper phosphate. The p-type semiconductor layer is made of one or several kinds of p-type gallium nitride, p-type gallium arsenide, and p-type copper phosphate. The first semiconductor layer 110 has a thickness of 1 μm to 5 μm. In the present embodiment, the first semiconductor layer 110 is n-type gallium nitride.
前記発光ダイオード10は、更にバッファ層を含んで、前記基板100及び前記第一半導体層110の間に設置される。この場合、前記バッファ層は、前記基板100の三次元ナノ構造体アレイ140に接触する。前記バッファ層は、前記基板100と前記第一半導体層110の間の格子不整合現象を減少させ、且つ前記基板100と前記第一半導体層110の間のエピタキシャル成長の品質を改善することができる。前記バッファ層は、ガリウム窒化物(GaN)又はアルミニウム窒化物(AlN)からなる。前記バッファ層の厚さは10nm〜300nmであるが、20nm〜50nmであることが好ましい。 The light emitting diode 10 further includes a buffer layer and is disposed between the substrate 100 and the first semiconductor layer 110. In this case, the buffer layer contacts the three-dimensional nanostructure array 140 of the substrate 100. The buffer layer can reduce a lattice mismatch phenomenon between the substrate 100 and the first semiconductor layer 110 and can improve the quality of epitaxial growth between the substrate 100 and the first semiconductor layer 110. The buffer layer is made of gallium nitride (GaN) or aluminum nitride (AlN). The buffer layer has a thickness of 10 nm to 300 nm, preferably 20 nm to 50 nm.
前記三次元ナノ構造体アレイ140は、前記基板100の第一表面に単独で設置される場合、前記三次元ナノ構造体アレイ140は、SOI(silicon on insulator)、LiGaO2、LiAlO2、Al2O3、Al2O3、Si、GaAs、GaN、GaSb、InN、InP、InAs、InSb、AlP、AlAs、AlSb、AlN、GaP、SiC、SiGe、GaMnAs、GaAlAs、GaInAs、GaAlN、GaInN、AlInN、GaAsP、InGaN、AlGaInN、AlGaInP、GaP:Zn及びGaP:Nの一種又は数種からなる。 The three-dimensional nano-structure array 140, when installed alone on the first surface of the substrate 100, the three-dimensional nano-structure array 140, SOI (silicon on insulator), LiGaO 2, LiAlO 2, Al 2 O 3 , Al 2 O 3 , Si, GaAs, GaN, GaSb, InN, InP, InAs, InSb, AlP, AlAs, AlSb, AlN, GaP, SiC, SiGe, GaMnAs, GaAlAs, GaInAs, GaAlN, GaInN, AlInN, It consists of one or several kinds of GaAsP, InGaN, AlGaInN, AlGaInP, GaP: Zn and GaP: N.
前記活性層120は、前記第一半導体層110の前記三次元ナノ構造体アレイ140に接触する表面と反対側の表面の前記第一領域に設置される。好ましくは、前記活性層120は、前記第一領域の全体を被覆する。前記活性層120は、単一量子井戸層又は多重量子井戸層であり、且つ光子を提供する。前記活性層120は、窒化ガリウム・インジウム(GaInN)、窒化アルミニウム・ガリウム・インジウム(AlGaInN)、ヒ化ガリウム(GaAs)、ヒ化アルミニウムガリウム(AlGaAs)、燐化ガリウム・インジウム(GaInP)及びヒ化アルミニウムガリウム(GaInAs)の一種又は数種からなる。前記活性層120の厚さは、0.01μm〜0.6μmである。本実施例において、前記活性層120の厚さは、0.3μmであり、且つ積層されたGaInN層及びGaN層からなる。 The active layer 120 is disposed on the first region of the surface of the first semiconductor layer 110 opposite to the surface in contact with the three-dimensional nanostructure array 140. Preferably, the active layer 120 covers the entire first region. The active layer 120 is a single quantum well layer or a multiple quantum well layer and provides photons. The active layer 120 includes gallium nitride indium (GaInN), aluminum nitride gallium indium (AlGaInN), gallium arsenide (GaAs), aluminum gallium arsenide (AlGaAs), gallium phosphide indium (GaInP), and arsenic. It consists of one kind or several kinds of aluminum gallium (GaInAs). The active layer 120 has a thickness of 0.01 μm to 0.6 μm. In this embodiment, the active layer 120 has a thickness of 0.3 μm and is composed of a stacked GaInN layer and GaN layer.
前記第二半導体層130は、前記活性層120の前記第一半導体層110の反対側の表面に設置され、且つ該表面の全てを被覆する。前記第二半導体層130の厚さが、0.1μm〜3μmである。本実施例において、前記第二半導体層130は、マグネシウムがドープされたP型GaNであり、その厚さは、0.3μmである。 The second semiconductor layer 130 is disposed on the surface of the active layer 120 opposite to the first semiconductor layer 110 and covers the entire surface. The thickness of the second semiconductor layer 130 is 0.1 μm to 3 μm. In this embodiment, the second semiconductor layer 130 is P-type GaN doped with magnesium, and the thickness thereof is 0.3 μm.
前記第一電極112は、前記第一半導体層110の前記三次元ナノ構造体アレイ140に接触された表面と反対側の表面の前記第二領域に、且つ前記活性層120に間隔をおいて設置される。前記第一電極112は、p型電極又はn型電極であるが、前記第一半導体層110のタイプと同じ必要がある。前記第一電極112の厚さは0.01μm〜2μmである。前記第一電極112は、前記第一半導体層110の前記第一表面の少なくとも一部に被覆されて設置されるが、前記第一半導体層110の前記第一表面の全体に被覆されることが好ましい。前記第一半導体層110の前記第一表面に前記三次元ナノ構造体アレイ140が形成されているので、前記第一表面は、前記第一半導体層110の三次元ナノ構造体アレイ140に堆積して形成された層状構造体である。前記第一電極112は、銀、チタン、アルミニウム、ニッケル及び金の一種又は数種からなる。本実施例において、前記第一電極112は、二層構造を有するn型電極であり、積層された厚さが15nmのチタン層及び厚さが200nmの金層からなる。 The first electrode 112 is disposed in the second region on the surface of the first semiconductor layer 110 opposite to the surface in contact with the three-dimensional nanostructure array 140 and at a distance from the active layer 120. Is done. The first electrode 112 is a p-type electrode or an n-type electrode, and needs to be the same as the type of the first semiconductor layer 110. The thickness of the first electrode 112 is 0.01 μm to 2 μm. The first electrode 112 is disposed so as to cover at least a part of the first surface of the first semiconductor layer 110, and may cover the entire first surface of the first semiconductor layer 110. preferable. Since the three-dimensional nanostructure array 140 is formed on the first surface of the first semiconductor layer 110, the first surface is deposited on the three-dimensional nanostructure array 140 of the first semiconductor layer 110. It is the layered structure formed in this way. The first electrode 112 is made of one or several kinds of silver, titanium, aluminum, nickel, and gold. In the present embodiment, the first electrode 112 is an n-type electrode having a two-layer structure, and includes a laminated titanium layer having a thickness of 15 nm and a gold layer having a thickness of 200 nm.
前記第二電極132は、p型電極又はn型電極であるが、前記第二半導体層130のタイプと同じ必要がある。前記第二電極132は、前記第二半導体層130の前記活性層120と接触する表面とは反対側の表面の全体に被覆されて設置される。前記第二電極132は、少なくとも一層の層状構造を有する。前記第二電極132は、チタン、銀、アルミニウム、ニッケル及び金の何れか一種又は数種からなるか、カーボンナノチューブ或いはITOからなることもできる。本実施例において、前記第二電極132は、p型電極であり、前記第二半導体層130の表面全体に設置される。前記第二電極132は、厚さが15nmの一層チタン及び厚さが100nmの一層金からなる二重構造を有するチタン/金電極である。この場合、前記第二電極132は、発光ダイオード10において、電極として用いられると同時に、反射層として用いられることができる。従って、発光ダイオード10において、光子が前記基板100の第二表面によって出射する。前記第二電極132が透明材料からなる場合、前記第二電極132及び前記第二半導体層130の間に更に反射層が設置される必要がある。前記反射層は、チタン、銀、アルミニウム、ニッケル及び金の何れか一種又は数種からなる。前記活性層120に形成された光子が前記反射層に達すると、前記反射層が、該光子を反射して、前記発光ダイオード10の光出射面で出射させるので、前記発光ダイオード10の光出射率を高めることができる。 The second electrode 132 is a p-type electrode or an n-type electrode, and needs to be the same as the type of the second semiconductor layer 130. The second electrode 132 is disposed on the entire surface of the second semiconductor layer 130 opposite to the surface in contact with the active layer 120. The second electrode 132 has at least one layered structure. The second electrode 132 may be made of one or several of titanium, silver, aluminum, nickel, and gold, or may be made of carbon nanotubes or ITO. In the present embodiment, the second electrode 132 is a p-type electrode and is disposed on the entire surface of the second semiconductor layer 130. The second electrode 132 is a titanium / gold electrode having a double structure including a single layer of titanium having a thickness of 15 nm and a single layer of gold having a thickness of 100 nm. In this case, the second electrode 132 can be used as a reflective layer at the same time as the electrode in the light emitting diode 10. Accordingly, in the light emitting diode 10, photons are emitted by the second surface of the substrate 100. When the second electrode 132 is made of a transparent material, a reflective layer needs to be further provided between the second electrode 132 and the second semiconductor layer 130. The reflective layer is made of one or several of titanium, silver, aluminum, nickel, and gold. When the photons formed in the active layer 120 reach the reflective layer, the reflective layer reflects the photons and emits them on the light emitting surface of the light emitting diode 10, so that the light emission rate of the light emitting diode 10 is increased. Can be increased.
前記発光ダイオード10を利用する場合、前記活性層120から放射された光線は、異なる角度で前記三次元ナノ構造体アレイ140に達する。前記活性層120から放射された小さな角度を有する光線は、容易に前記発光ダイオード10から放射され、前記活性層120から放射された大きな角度を有する光線は、前記三次元ナノ構造体アレイ140によって屈折されて小さな角度の光線になる。従って、前記発光ダイオード10の光出射効率を高めることができる。前記M型の三次元ナノ構造体からなる前記三次元ナノ構造体アレイ140は、前記発光ダイオード10に対して、両層光子クリスタルの役割を果たすので、前記発光ダイオード10の光射出効率を改善することができる。 When the light emitting diode 10 is used, the light emitted from the active layer 120 reaches the three-dimensional nanostructure array 140 at different angles. A light beam having a small angle emitted from the active layer 120 is easily emitted from the light emitting diode 10, and a light beam having a large angle emitted from the active layer 120 is refracted by the three-dimensional nanostructure array 140. It becomes a light beam with a small angle. Therefore, the light emission efficiency of the light emitting diode 10 can be increased. The three-dimensional nanostructure array 140 made of the M-type three-dimensional nanostructure serves as a double-layer photonic crystal with respect to the light-emitting diode 10, thereby improving the light emission efficiency of the light-emitting diode 10. be able to.
図5を参照すると、実施例1に係る発光ダイオード10の製造方法は、基板100を提供するステップ(S11)と、前記基板100をエッチングして、基板本体105の表面から、該表面を離れる方向に向かって突出する前記三次元ナノ構造体アレイ140を形成するステップ(S12)と、前記三次元ナノ構造体アレイ140に、前記第一半導体層110と、前記活性層120と、前記第二半導体層130と、を順に成長させるステップ(S13)と、前記第一電極112を形成して、前記第一半導体層110に電気的に接続するステップ(S14)と、前記第二電極132を形成して、前記第二半導体層130に電気的に接続するステップ(S15)と、を含む。 Referring to FIG. 5, in the method of manufacturing the light emitting diode 10 according to the first embodiment, the step of providing the substrate 100 (S <b> 11) and the direction in which the substrate 100 is etched away from the surface of the substrate body 105. Forming the three-dimensional nanostructure array 140 protruding toward the surface (S12), and adding the first semiconductor layer 110, the active layer 120, and the second semiconductor to the three-dimensional nanostructure array 140. The step of growing the layer 130 in sequence (S13), the step of forming the first electrode 112 and electrically connecting to the first semiconductor layer 110 (S14), and the step of forming the second electrode 132. Electrically connecting to the second semiconductor layer 130 (S15).
図6を併せて参照すると、前記ステップ(S12)において、前記基板100をエッチングして、基板本体105の表面から、該表面を離れる方向に向かって突出する前記三次元ナノ構造体アレイ140を形成する方法は、前記基板100の表面にマスク層103を形成するステップ(S121)と、前記マスク層103をナノプリント及びエッチング法によって、パターン化させるステップ(S122)と、前記基板100をエッチングして、前記基板100をパターン化して、三次元ナノ構造体予備成形物1421を形成するステップ(S123)と、残留した前記マスク層103を取り除き、前記基板100に前記三次元ナノ構造体アレイ140を形成するステップ(S124)と、を含む。 Referring also to FIG. 6, in the step (S12), the substrate 100 is etched to form the three-dimensional nanostructure array 140 that protrudes from the surface of the substrate body 105 in a direction away from the surface. The method includes forming a mask layer 103 on the surface of the substrate 100 (S121), patterning the mask layer 103 by nanoprinting and etching (S122), and etching the substrate 100. Patterning the substrate 100 to form a three-dimensional nanostructure preform 1421 (S123); removing the remaining mask layer 103; and forming the three-dimensional nanostructure array 140 on the substrate 100. (S124).
前記ステップ(S121)において、前記マスク層103は単層構造或いは複合構造である。前記マスク層103に形成するパターンの精確度を保証するために、前記マスク層103の厚さは実際の要件(エッチングする深度、エッチング用気体など)に応じて選択することができる。前記マスク層103が単層構造である場合、該マスク層103の材料は、ZEP520A、HSQ(Hydrogen Silsesquioxane)、PMMA、PS(ポリスチレン)、SOG(Silicon on Glass)或いは他の有機ケイ素オリゴマーなどからなる。前記マスク層103によって、前記基板100に被覆される部分を保護する。本実施例において、前記マスク層103は複合マスク層である。前記マスク層103は、第一マスク層1032と、第二マスク層1034と、を含む。前記第一マスク層1032及び前記第二マスク層1034は、前記基板100に積層され、前記第二マスク層1034は前記第一マスク層1032に被覆される。前記基板100は、前記第一マスク層1032の一つの表面に隣接し、前記第二マスク層1034は、前記第一マスク層1032が前記基板100と隣接する表面の相対する表面に隣接し、且つ前記第一マスク層1032を覆う。前記第一マスク層1032と前記第二マスク層1034の材料の材料は限定されず、必要とするエッチングする深度及びエッチング用気体などによって選択できる。前記第一マスク層1032は、ZEP520A、PMMA、PS、SAL601又はARZ720などからなり、前記第二マスク層1034は、HSQ、SOG或いは他の有機ケイ素オリゴマーなどからなる。本実施例において、前記第一マスク層1032の材料はZEP520Aであり、前記第二マスク層1034の材料はHSQである。前記第一マスク層1032及び前記第二マスク層1034は、スクリーン印刷法或いはスピンコーティング法によって、前記基板100の表面に堆積させる。 In the step (S121), the mask layer 103 has a single layer structure or a composite structure. In order to guarantee the accuracy of the pattern formed on the mask layer 103, the thickness of the mask layer 103 can be selected according to actual requirements (etching depth, etching gas, etc.). When the mask layer 103 has a single-layer structure, the material of the mask layer 103 is made of ZEP520A, HSQ (Hydrogen Silsesquioxane), PMMA, PS (polystyrene), SOG (Silicon on Glass), or other organosilicon oligomers. . The mask layer 103 protects the portion covered with the substrate 100. In this embodiment, the mask layer 103 is a composite mask layer. The mask layer 103 includes a first mask layer 1032 and a second mask layer 1034. The first mask layer 1032 and the second mask layer 1034 are stacked on the substrate 100, and the second mask layer 1034 is covered with the first mask layer 1032. The substrate 100 is adjacent to one surface of the first mask layer 1032, the second mask layer 1034 is adjacent to the opposing surface of the surface where the first mask layer 1032 is adjacent to the substrate 100, and The first mask layer 1032 is covered. The material of the material of the first mask layer 1032 and the second mask layer 1034 is not limited, and can be selected according to the required etching depth and etching gas. The first mask layer 1032 is made of ZEP520A, PMMA, PS, SAL601, or ARZ720, and the second mask layer 1034 is made of HSQ, SOG, or other organosilicon oligomer. In this embodiment, the material of the first mask layer 1032 is ZEP520A, and the material of the second mask layer 1034 is HSQ. The first mask layer 1032 and the second mask layer 1034 are deposited on the surface of the substrate 100 by screen printing or spin coating.
前記基板100の表面に、前記第一マスク層1032を形成する工程は、以下のステップを含む。 The step of forming the first mask layer 1032 on the surface of the substrate 100 includes the following steps.
第一ステップにおいて、前記基板100の表面を洗浄し、前記基板100の表面に、ZEP520Aをスピンコーティングして、スピンコーティング層を形成する。該スピンコーティング回転速度は500回転/分〜6000回転/分であり、時間は0.5分〜1.5分である。第二ステップにおいて、スピンコーティング層を140℃〜180℃の温度で乾燥させて、前記基板100の表面に前記第一マスク層1032を形成する。前記スピンコーティングの乾燥時間は3分〜5分である。この際、前記第一マスク層1032の厚さは、100nm〜500nmに達する。 In the first step, the surface of the substrate 100 is cleaned, and ZEP520A is spin coated on the surface of the substrate 100 to form a spin coating layer. The spin coating rotation speed is 500 rotations / minute to 6000 rotations / minute, and the time is 0.5 minutes to 1.5 minutes. In the second step, the spin coating layer is dried at a temperature of 140 ° C. to 180 ° C. to form the first mask layer 1032 on the surface of the substrate 100. The drying time of the spin coating is 3 minutes to 5 minutes. At this time, the thickness of the first mask layer 1032 reaches 100 nm to 500 nm.
前記第一マスク層1032上に前記第二マスク層1034を形成する工程は、以下のステップを含む。 The step of forming the second mask layer 1034 on the first mask layer 1032 includes the following steps.
第一ステップにおいて、高圧の条件下で、前記第一マスク層1032の表面に、前記HSQをスピンコーティングする。該スピンコーティング回転速度は2500回転/分〜7000回転/分であり、時間は0.5分〜2分である。第二ステップにおいて、前記スピンコーティングされたHSQを固化して、前記第二マスク層1034を形成する。この際、前記第二マスク層1034の厚さは100nm〜500nmであるが、好ましくは、300nm〜500nmである。前記第二マスク層1034は構造の安定性に優れ、室温でプレスでき、且つプレスの解像度は10nm以下に達する。 In the first step, the HSQ is spin-coated on the surface of the first mask layer 1032 under high pressure conditions. The spin coating rotation speed is 2500 rpm to 7000 rpm, and the time is 0.5 minutes to 2 minutes. In the second step, the spin-coated HSQ is solidified to form the second mask layer 1034. At this time, the thickness of the second mask layer 1034 is 100 nm to 500 nm, preferably 300 nm to 500 nm. The second mask layer 1034 has excellent structural stability, can be pressed at room temperature, and the pressing resolution reaches 10 nm or less.
また、前記第一マスク層1032上に、前記第二マスク層1034を形成するステップの前に、前記第一マスク層1032の表面に一つの過渡層(図示せず)を形成することができる。本実施例において、該過渡層はシリカからなり、前記過渡層は、前記第二マスク層1034をエッチングする際、前記第一マスク層1032を保護することに用いられる。 In addition, a transient layer (not shown) may be formed on the surface of the first mask layer 1032 before the step of forming the second mask layer 1034 on the first mask layer 1032. In this embodiment, the transient layer is made of silica, and the transient layer is used to protect the first mask layer 1032 when the second mask layer 1034 is etched.
前記ステップ(S122)において、前記マスク層103をナノプリント及びエッチング法によって、パターン化させる方法は、ナノパターン化表面を有する金型200を提供するステップ(S122a)と、前記金型200のナノパターン化表面を、前記第二マスク層1034に貼合し、常温でプレスした後、分離することにより、前記第二マスク層1034に複数の凹溝を形成するステップ(122b)と、前記複数の凹溝の底部に残留した前記第二マスク層1034を除去し、前記第一マスク層1032を露出させるステップ(S122c)と、前記第一マスク層1032の、前記複数の凹溝に対応する一部を除去し、前記基板100の表面を露出させ、パターン化された前記マスク層103を形成するステップ(S122d)と、を含む。 In the step (S122), the method of patterning the mask layer 103 by nanoprinting and etching provides a mold 200 having a nanopatterned surface (S122a), and a nanopattern of the mold 200. Forming a plurality of grooves in the second mask layer 1034 by separating the surface after being bonded to the second mask layer 1034, pressed at room temperature, and then separated; Removing the second mask layer 1034 remaining at the bottom of the groove to expose the first mask layer 1032 (S122c); and part of the first mask layer 1032 corresponding to the plurality of concave grooves Removing and exposing the surface of the substrate 100 to form the patterned mask layer 103 (S122d). No.
前記ステップ(S122a)において、前記金型200は、硬質材料、或いは軟質材料からなる。前記金型200が硬質材料からなる場合、前記金型200の材料は、例えば、ニッケル、シリコン或いはシリカであり、前記金型200が軟質材料からなる場合、前記金型200の材料は、PET、PMMA、PS(ポリスチレン)、PDMS(ポリジメチルシロキサン)である。前記金型200の表面には、ナノパターンが形成されている。該金型200の表面のナノパターンとは、間隔をおいて配列された複数のストリップ状の突部、或いは間隔をおいて配列された複数の同心円状の突部構造体、或いは間隔をおいて配列された複数の同心四角状の突部構造体からなるアレイである。本実施例において、前記金型200の表面に形成されたナノパターンとは、間隔をおいて配列された複数のストリップ状の突部からなるアレイである。前記複数のストリップ状の突部は、同じ方向に沿って延伸する。隣接する二つのストリップ状の突部の間には、凹溝が形成されている。前記ストリップ状の突部と凹溝との、それらの延伸する方向での断面は、それぞれ矩形である。前記複数の突部の延伸する方向と垂直する方向に沿った、前記ストリップ状の突部の幅は限定されず、必要に応じて選択できる。本実施例において、前記ストリップ状の突部の幅は50nm〜200nmであり、前記凹溝の幅は50nm〜200nmである。また、前記ストリップ状の突部の幅と溝の幅とは同じでも、或いは同じでなくても良い。 In the step (S122a), the mold 200 is made of a hard material or a soft material. When the mold 200 is made of a hard material, the material of the mold 200 is, for example, nickel, silicon, or silica. When the mold 200 is made of a soft material, the material of the mold 200 is PET, PMMA, PS (polystyrene), PDMS (polydimethylsiloxane). A nano pattern is formed on the surface of the mold 200. The nano pattern on the surface of the mold 200 is a plurality of strip-like protrusions arranged at intervals, a plurality of concentric protrusion structures arranged at intervals, or an interval. It is an array consisting of a plurality of concentric quadrangular protrusion structures arranged. In this embodiment, the nano pattern formed on the surface of the mold 200 is an array composed of a plurality of strip-shaped protrusions arranged at intervals. The plurality of strip-shaped protrusions extend along the same direction. A concave groove is formed between two adjacent strip-shaped protrusions. The cross sections of the strip-shaped protrusions and the concave grooves in the extending direction are each rectangular. The width of the strip-shaped protrusion along the direction perpendicular to the extending direction of the plurality of protrusions is not limited and can be selected as necessary. In this embodiment, the width of the strip-shaped protrusion is 50 nm to 200 nm, and the width of the concave groove is 50 nm to 200 nm. Further, the width of the strip-shaped protrusion and the width of the groove may or may not be the same.
前記ステップ(122b)において、常温下で、前記金型200を通じて、前記基板100までに圧力を加えることにより、前記金型200の表面のナノパターンを、前記第二マスク層1034に転写させる。具体的には、先ず、前記金型200のナノパターンを有する表面を、前記第二マスク層1034と貼合させ、次に、1×10-1mbar〜1×10-5mbarの真空度で、2ポンド/平方フット〜100ポンド/平方フットの圧力をかけて、この状態を2分〜30分保持し、最後に、前記金型200と前記第二マスク層1034とを分離させる。これにより、前記金型200の表面のナノパターンは、記第二マスク層1034に転写される。 In the step (122b), the nano pattern on the surface of the mold 200 is transferred to the second mask layer 1034 by applying pressure to the substrate 100 through the mold 200 at room temperature. Specifically, first, the surface having the nano pattern of the mold 200 is bonded to the second mask layer 1034, and then at a vacuum degree of 1 × 10 −1 mbar to 1 × 10 −5 mbar. A pressure of 2 pounds / square foot to 100 pounds / square foot is applied to hold this state for 2 to 30 minutes, and finally, the mold 200 and the second mask layer 1034 are separated. Accordingly, the nano pattern on the surface of the mold 200 is transferred to the second mask layer 1034.
前記第二マスク層1034の表面に転写されたナノパターンは、並列し、同じの方向に沿って延伸する複数のストリップ状の突部を含み、隣接するストリップ状の突部の間には、凹溝が形成され、且つ、前記第二マスク層1034の凹溝の大きさ及び形状は、前記金型200の突部の大きさ及び形状と対応し、前記第二マスク層1034のストリップ状の突部の大きさ及び形状は、前記金型200の凹溝の大きさ及び形状と対応する。圧力を加える過程において、前記第二マスク層1034は、前記金型200の突部に圧縮されて、薄くなり、前記第二マスク層1034中に凹溝を形成する。これにより、凹溝の底部における前記第二マスク層1034が薄層となり、前記第一マスク層1032の表面に付着する。 The nano pattern transferred to the surface of the second mask layer 1034 includes a plurality of strip-shaped protrusions extending in parallel and extending in the same direction, and a recess is formed between adjacent strip-shaped protrusions. Grooves are formed, and the size and shape of the concave grooves of the second mask layer 1034 correspond to the size and shape of the protrusions of the mold 200, and the strip-like protrusions of the second mask layer 1034 are formed. The size and shape of the part correspond to the size and shape of the concave groove of the mold 200. In the process of applying pressure, the second mask layer 1034 is compressed by the protrusions of the mold 200 and becomes thin, thereby forming a concave groove in the second mask layer 1034. Thereby, the second mask layer 1034 at the bottom of the concave groove becomes a thin layer and adheres to the surface of the first mask layer 1032.
前記ステップ(S122c)において、前記第二マスク層1034の凹溝の底部に残留した第二マスク層材料を、プラズマエッチング法によって除去する。本実施例において、前記第二マスク層1034の凹溝の底部に残留した第二マスク層材料は、反応性プラズマエッチング法によって除去して、前記第一マスク層1032を露出させる。具体的には、パターン化された前記第二マスク層1034が形成された前記基板100を、反応性プラズマエッチングのシステムに設置し、該反応性プラズマエッチングのシステムによって、四フッ化炭素(CF4)のプラズマを形成する。その後、該形成された前記四フッ化炭素のプラズマは拡散して、前記第二マスク層1034に移動する。この際、前記第二マスク層1034の凹溝の底部の第二マスク層材料は、前記四フッ化炭素プラズマによってエッチングされる。該四フッ化炭素プラズマエッチングのシステムの仕事率は10W〜150Wであり、該四フッ化炭素プラズマの導入速度は、2sccm〜100sccmであり、気圧は、0.5Pa〜15Paであり、前記四フッ化炭素プラズマでエッチングする時間は、2秒〜4分である。本実施例において、前記四フッ化炭素プラズマエッチングシステムの仕事率は40Wであり、該四フッ化炭素プラズマの導入流量は26sccmであり、気圧は2Paであり、エッチング時間は10秒である。以上の方法により、前記第二マスク層1034凹溝の底部に残留した第二マスク層材料は、前記四フッ化炭素プラズマにエッチングされて、前記第一マスク層1032を露出させる。同時に、前記第二マスク層1034の複数の突部はエッチングされて薄くなる。しかし、この際、前記第二マスク層1034のナノパターンは、完全な形態を保持することができる。 In the step (S122c), the second mask layer material remaining at the bottom of the concave groove of the second mask layer 1034 is removed by plasma etching. In this embodiment, the second mask layer material remaining on the bottom of the concave groove of the second mask layer 1034 is removed by a reactive plasma etching method to expose the first mask layer 1032. Specifically, the substrate 100 on which the patterned second mask layer 1034 is formed is placed in a reactive plasma etching system, and carbon tetrafluoride (CF 4) is formed by the reactive plasma etching system. ) Plasma is formed. Thereafter, the formed carbon tetrafluoride plasma diffuses and moves to the second mask layer 1034. At this time, the second mask layer material at the bottom of the concave groove of the second mask layer 1034 is etched by the carbon tetrafluoride plasma. The work rate of the carbon tetrafluoride plasma etching system is 10 W to 150 W, the introduction rate of the carbon tetrafluoride plasma is 2 sccm to 100 sccm, and the atmospheric pressure is 0.5 Pa to 15 Pa. The time for etching with carbonized plasma is 2 seconds to 4 minutes. In this embodiment, the carbon tetrafluoride plasma etching system has a power of 40 W, the introduction flow rate of the carbon tetrafluoride plasma is 26 sccm, the atmospheric pressure is 2 Pa, and the etching time is 10 seconds. By the above method, the second mask layer material remaining at the bottom of the second mask layer 1034 groove is etched by the carbon tetrafluoride plasma to expose the first mask layer 1032. At the same time, the plurality of protrusions of the second mask layer 1034 are etched and thinned. However, at this time, the nano pattern of the second mask layer 1034 may maintain a complete shape.
前記ステップ(S122d)において、前記第二マスク層1034の凹溝によって露出された前記第一マスク層1032を、酸素プラズマエッチングのシステム中で、酸素プラズマによってエッチングして、前記基板100の表面を露出させる。該酸素プラズマエッチングのシステムの仕事率は10W〜150Wであり、前記酸素プラズマの導入速度は2sccm〜100sccmであり、形成された気圧は0.5Pa〜15Paであり、酸素プラズマにエッチングされる時間は5秒〜5分である。本実施例において、前記酸素プラズマエッチングシステムの仕事率は40Wであり、該酸素プラズマの導入流量は40sccmであり、気圧は2Paであり、エッチング時間は120秒である。以上の方法により、前記第一マスク層1032の、前記第二マスク層1034の凹溝と対応する一部は、酸化によってエッチングされ、前記第二マスク層1034は、エッチング過程において、前記第一マスク層1032の解像度を有効に保持する。従って、前記第二マスク層1034のナノパターンを、前記第一マスク層1032に複製でき、これにより、前記マスク層103は全体的にパターン化される。 In the step (S122d), the first mask layer 1032 exposed by the concave groove of the second mask layer 1034 is etched by oxygen plasma in an oxygen plasma etching system to expose the surface of the substrate 100. Let The oxygen plasma etching system has a power of 10 W to 150 W, the introduction speed of the oxygen plasma is 2 sccm to 100 sccm, the formed atmospheric pressure is 0.5 Pa to 15 Pa, and the etching time for the oxygen plasma is as follows. 5 seconds to 5 minutes. In this embodiment, the oxygen plasma etching system has a power of 40 W, an oxygen plasma introduction flow rate of 40 sccm, an atmospheric pressure of 2 Pa, and an etching time of 120 seconds. By the above method, a part of the first mask layer 1032 corresponding to the concave groove of the second mask layer 1034 is etched by oxidation, and the second mask layer 1034 is etched during the etching process. The resolution of layer 1032 is effectively retained. Accordingly, the nanopattern of the second mask layer 1034 can be replicated on the first mask layer 1032, thereby patterning the mask layer 103 as a whole.
パターン化された前記マスク層103は、前記基板100の表面に間隔をおいて形成された複数の突部構造1031を含み、且つ各々の隣接する二つの突部構造1031の間には、一つの溝1033がそれぞれ形成される。また、前記基板100の表面の、前記マスク層103の前記溝1033と対応する一部は露出される。前記マスク層103の突部構造1031は、前記基板100の表面の、前記溝1033と対応する領域以外の領域を被覆する。また、前記ステップ(S122d)において、前記マスク層103に対する、エッチング気体の全体の流動速度及びエッチング方向を抑制させることにより、前記マスク層103がエッチングが終わった後に形成された前記突部構造1031の側壁は、前記基板100の表面とほぼ垂直となる。これにより、後続の前記基板100をエッチングする工程において、形成される前記三次元ナノ構造体予備成形物1421の形状の一致性及び均一性を保証できる。前記第一マスク層1032をエッチングする過程において、前記第二マスク層1034の突部は多少エッチングされる。しかし、前記第二マスク層1034がエッチングされる速度は、前記第一マスク層1032がエッチングされる速度より遅い。従って、前記第二マスク層1034のナノパターンは、基本的に保持される。 The patterned mask layer 103 includes a plurality of protrusion structures 1031 formed at intervals on the surface of the substrate 100, and one adjacent protrusion structure 1031 has a single protrusion structure 1031. Each groove 1033 is formed. Further, a part of the surface of the substrate 100 corresponding to the groove 1033 of the mask layer 103 is exposed. The protrusion structure 1031 of the mask layer 103 covers a region other than the region corresponding to the groove 1033 on the surface of the substrate 100. Further, in the step (S122d), the overall flow rate and etching direction of the etching gas with respect to the mask layer 103 is suppressed, so that the protrusion structure 1031 formed after the mask layer 103 is etched is completed. The side wall is substantially perpendicular to the surface of the substrate 100. Accordingly, it is possible to guarantee the conformity and uniformity of the shape of the three-dimensional nanostructure preform 1421 to be formed in the subsequent step of etching the substrate 100. In the process of etching the first mask layer 1032, the protrusions of the second mask layer 1034 are slightly etched. However, the rate at which the second mask layer 1034 is etched is slower than the rate at which the first mask layer 1032 is etched. Accordingly, the nano pattern of the second mask layer 1034 is basically retained.
前記ステップ(S123)において、前記パターン化された前記マスク層103が形成された前記基板100を、誘導結合プラズマエッチングのシステムに放置した後、エッチング用気体を利用して、前記基板100をエッチングする。該気体は、前記基板100及び前記マスク層103の材料によって選択され、前記エッチング用気体が、エッチングする対象に対して、高いエッチング速度を有することを保証する。前記基板100をエッチングする過程において、前記基板100の、前記マスク層103の前記溝1033に対応する一部は、該気体によって除去され、前記基板100に凹溝を形成する。 In the step (S123), the substrate 100 on which the patterned mask layer 103 is formed is left in an inductively coupled plasma etching system, and then the substrate 100 is etched using an etching gas. . The gas is selected according to the material of the substrate 100 and the mask layer 103, and ensures that the etching gas has a high etching rate for the object to be etched. In the process of etching the substrate 100, a part of the substrate 100 corresponding to the groove 1033 of the mask layer 103 is removed by the gas to form a concave groove in the substrate 100.
本実施例の前記ステップ(S123)において、前記基板100をエッチングする工程は、エッチング気体によって、前記基板100の表面の、前記マスク層103に被覆されない一部をエッチングし、前記基板100に複数の凹溝を形成し、該複数の凹溝の深度が、互いに基本的に同じであるステップ(S123a)と、プラズマの衝突作用によって、前記マスク層103の各々の隣接する二つの前記突部構造1031が、次第に相対して傾倒し、前記突部構造1031の頂部(前記基板100と離れる一端)が二つずつ互いに接近して、最後は接触するステップ(S123b)と、を含む。 In the step (S123) of the present embodiment, in the step of etching the substrate 100, a part of the surface of the substrate 100 that is not covered with the mask layer 103 is etched with an etching gas, and a plurality of portions are formed on the substrate 100. A step (S123a) in which concave grooves are formed and the depths of the plurality of concave grooves are basically the same as each other, and two adjacent protrusion structures 1031 on each of the mask layers 103 by plasma collision action. However, it includes a step (S123b) of gradually tilting relative to each other so that the top portions (one end away from the substrate 100) of the protruding structure 1031 approach each other and finally come into contact with each other (S123b).
前記ステップ(S123a)において、前記基板100をエッチングする過程で、エッチング工程に採用した気体は、前記マスク層103に被覆されない前記基板100と反応して、保護層を形成する。該保護層は、前記基板100がさらにエッチングされるのを阻止するので、前記基板100の、前記マスク層103における二つの前記突部構造1031間の部分は、エッチング深度に伴ってエッチングされる面積は徐徐に小さくなる。即ち、前記基板100に形成された凹溝の広さは、前記基板100のエッチング方向に沿って小さくなり、該凹溝の壁は、前記基板100の表面と垂直せず、一定の角度を有する。同時に、前記エッチング用気体は、前記マスク層103の前記突部構造1031の頂部をエッチングすることによって、前記突部構造1031の頂部の幅を次第に狭くさせる。前記エッチングする過程において、前記エッチング用気体は、前記マスク層103もエッチングする。しかし、前記マスク層103がエッチングされる速度は、前記基板100がエッチングされる速度より遅い。従って、前記基板100がエッチングされて、複数の凹溝を形成する過程において、前記マスク層103の形態及び分布も保持することができる。 In the process of etching the substrate 100 in the step (S123a), the gas employed in the etching process reacts with the substrate 100 not covered with the mask layer 103 to form a protective layer. Since the protective layer prevents the substrate 100 from being further etched, a portion of the substrate 100 between the two protrusion structures 1031 in the mask layer 103 is etched with an etching depth. Gradually becomes smaller. That is, the width of the groove formed in the substrate 100 is reduced along the etching direction of the substrate 100, and the wall of the groove is not perpendicular to the surface of the substrate 100 and has a certain angle. . At the same time, the etching gas etches the top of the protrusion structure 1031 of the mask layer 103, thereby gradually reducing the width of the top of the protrusion structure 1031. In the etching process, the etching gas also etches the mask layer 103. However, the rate at which the mask layer 103 is etched is slower than the rate at which the substrate 100 is etched. Accordingly, the shape and distribution of the mask layer 103 can be maintained in the process of etching the substrate 100 to form a plurality of concave grooves.
前記ステップ(S123b)は、以下の三つのサブステップを含む。 The step (S123b) includes the following three sub-steps.
第一サブステップにおいて、前記基板100の気体によって、エッチングする過程中に、プラズマの衝突作用によって、前記マスク層103の隣接する二つの前記突部構造1031は、次第に相対して傾倒し、前記突部構造1031の頂部は二つずつ互いに接近して、最後は接触する。 In the first sub-step, during the process of etching with the gas of the substrate 100, the two adjacent protrusion structures 1031 of the mask layer 103 gradually tilt relative to each other due to the plasma collision action, and the protrusion The tops of the substructures 1031 approach each other two at a time and finally touch.
第二サブステップにおいて、前記マスク層103の隣接する二つの前記突部構造1031の頂部は、次第に互いに接近して接触するので、前記基板100の、前記突部構造1031の頂部の接触する部分に対応する部分の、エッチング速度は遅くなる。即ち、前記基板100の、前記突部構造1031の頂部の接触する部分に対応する位置に形成された凹溝の幅は、エッチングされる深度に伴い狭くなり、更に、V型の溝を形成し、この際、該溝の深さは比較的浅い。同時に、前記基板100の、接触されない前記突部構造1031の間に対応する部分も、エッチング気体と同じ速度でエッチングされるので、前記基板100の、接触されない前記突部構造1031の間に対応する位置に形成された溝の深度は、前記基板100の、前記突部構造1031の頂部が接触する部分に対応する位置に形成された溝より深い。 In the second sub-step, the tops of the two protrusion structures 1031 adjacent to each other in the mask layer 103 gradually come close to each other and come into contact with each other, so that the top part of the protrusion structure 1031 of the substrate 100 is in contact with the top part. The etching rate of the corresponding part becomes slow. That is, the width of the concave groove formed at the position corresponding to the portion of the substrate 100 that contacts the top of the protruding structure 1031 becomes narrower with the depth of etching, and further forms a V-shaped groove. At this time, the depth of the groove is relatively shallow. At the same time, the portion of the substrate 100 corresponding to the portion between the protruding structures 1031 that are not in contact is also etched at the same rate as the etching gas, and thus corresponds to the portion of the substrate 100 that is not in contact with the protruding structures 1031. The depth of the groove formed at the position is deeper than the groove formed at the position corresponding to the portion of the substrate 100 where the top of the protruding structure 1031 contacts.
第三サブステップにおいて、前記マスク層103の前記突部構造1031の頂部が二つずつ接触した後、気体は、前記突部構造1031の頂部が接触する部分に被覆された前記基板100をエッチングし続けることができない。従って、前記基板100に、前記第一溝1426が形成される。同時に、気体は、接触していない二つの前記突部構造1031間における前記基板100をエッチングし続け、前記第二溝1428を形成する。従って、前記第二溝1428の深度は前記第一溝1426の深度より深く、三次元ナノ構造体予備成形物1421を形成する。 In the third sub-step, after the tops of the protrusion structures 1031 of the mask layer 103 are in contact with each other, the gas etches the substrate 100 covered with the portions where the tops of the protrusion structures 1031 are in contact. I can't continue. Accordingly, the first groove 1426 is formed in the substrate 100. At the same time, the gas continues to etch the substrate 100 between the two protruding structures 1031 that are not in contact, forming the second groove 1428. Accordingly, the depth of the second groove 1428 is deeper than the depth of the first groove 1426 to form the three-dimensional nanostructure preform 1421.
前記ステップ(S123)おいて、本実施例に利用するエッチング気体は、混合気体であり、該混合気体はCl2、BCl3、O2、Ar2を含む。プラズマエッチングのシステムの仕事率は10W〜150Wであり、混合気体の導入速度は8sccm〜150sccmであり、形成される気圧は0.5Pa〜15Paであり、エッチングする時間は5秒〜5分である。その中で、前記Cl2の導入速度は2sccm〜60sccmであり、前記BCl3の導入流動は2sccm〜30sccmであり、前記O2の導入速度は3sccm〜40sccmであり、前記Ar2の導入速度は1sccm〜20sccmである。エッチングする速度と精確性を保証するために、混合気体の導入速度は、好ましくは、40sccm〜100sccmである。本実施例において、前記プラズマエッチングのシステムの仕事率は70Wであり、プラズマの導入流動は40sccmであり、形成される気圧は2Paであり、エッチングする時間は120秒である。その中で、前記Cl2の導入速度は26sccmであり、前記BCl3の導入速度は16sccmであり、前記O2の導入速度は20sccmであり、前記Ar2の導入速度は10sccmである。 In the step (S123), the etching gas used in this embodiment is a mixed gas, and the mixed gas contains Cl 2 , BCl 3 , O 2 , and Ar 2 . The power of the plasma etching system is 10 W to 150 W, the introduction speed of the mixed gas is 8 sccm to 150 sccm, the atmospheric pressure formed is 0.5 Pa to 15 Pa, and the etching time is 5 seconds to 5 minutes. . Among them, the Cl 2 introduction rate is 2 sccm to 60 sccm, the BCl 3 introduction flow is 2 sccm to 30 sccm, the O 2 introduction rate is 3 sccm to 40 sccm, and the Ar 2 introduction rate is 1 sccm to 20 sccm. In order to ensure the etching speed and accuracy, the introduction speed of the mixed gas is preferably 40 sccm to 100 sccm. In this embodiment, the plasma etching system has a power of 70 W, a plasma introduction flow of 40 sccm, a formed atmospheric pressure of 2 Pa, and an etching time of 120 seconds. Among them, the introduction rate of Cl 2 is 26 sccm, the introduction rate of BC 3 is 16 sccm, the introduction rate of O 2 is 20 sccm, and the introduction rate of Ar 2 is 10 sccm.
前記マスク層103及びエッチング気体は制限されず、必要に応じて選択でき、エッチング過程において、前記マスク層103における前記突部構造1031が二つずつ接触することができるならば、純粋な気体、或いは混合気体でも良い。また、必要とする三次元ナノ構造体のサイズと寸法によって、気体の導入速度、気圧、エッチング時間、気体の比率などを選択できる。 The mask layer 103 and the etching gas are not limited and can be selected according to need. If the protrusion structures 1031 in the mask layer 103 can be in contact with each other in the etching process, a pure gas, or A mixed gas may be used. Further, the gas introduction speed, the atmospheric pressure, the etching time, the gas ratio, and the like can be selected depending on the size and dimensions of the required three-dimensional nanostructure.
本実施例において、前記マスク層103をナノプリント及びエッチングの方法によって、前記マスク層103に複数のストリップ状の突部構造及び凹溝を形成する。しかし、前記マスク層103を処理する方法はこれらに限定されず、パターン化された前記マスク層103が、複数のストリップ状の突部構造を含み、隣接するストリップ状の突部構造の間に凹溝を形成し、前記マスク層103が、前記第二半導体層130に設置された後、前記基板本体105の表面が前記凹溝によって露出されれば良い。又は、他の媒介或いは基板に、前記パターン化された前記マスク層103を形成した後、前記マスク層103が前記基板本体105の表面に設置されれば良い。 In this embodiment, the mask layer 103 is formed with a plurality of strip-like protrusion structures and concave grooves by nanoprinting and etching. However, the method of treating the mask layer 103 is not limited to these, and the patterned mask layer 103 includes a plurality of strip-shaped protrusion structures, and a recess is formed between adjacent strip-shaped protrusion structures. After the groove is formed and the mask layer 103 is placed on the second semiconductor layer 130, the surface of the substrate body 105 may be exposed by the concave groove. Alternatively, the mask layer 103 may be disposed on the surface of the substrate body 105 after the patterned mask layer 103 is formed on another medium or substrate.
前記ステップ(S124)において、有機溶剤によって、前記残留した前記マスク層103を溶解して、除去した後、前記三次元ナノ構造体予備成形物1421を形成する。該有機溶剤は、例えば、テトラヒドロフラン(THF)、アセトン、ブタノン、シクロヘキサン、ヘキサン、メタノール或いはエタノールなどである。本実施例において、前記有機溶剤はブタノンである。前記残留したマスク層103はブタノンに溶解されて、前記基板100から脱離する。前記残留したマスク層103を除去した後、パターン化された前記基板100を形成する。即ち前記基板100に、複数の三次元ナノ構造体142が形成される。該方法によって、前記三次元ナノ構造体142と前記基板本体105と一体された基板100になる。 In the step (S124), the remaining mask layer 103 is dissolved and removed with an organic solvent, and then the three-dimensional nanostructure preform 1421 is formed. The organic solvent is, for example, tetrahydrofuran (THF), acetone, butanone, cyclohexane, hexane, methanol or ethanol. In this embodiment, the organic solvent is butanone. The remaining mask layer 103 is dissolved in butanone and detached from the substrate 100. After removing the remaining mask layer 103, the patterned substrate 100 is formed. That is, a plurality of three-dimensional nanostructures 142 are formed on the substrate 100. By this method, the substrate 100 integrated with the three-dimensional nanostructure 142 and the substrate body 105 is obtained.
前記ステップ(S13)において、前記三次元ナノ構造体アレイ140は、前記第一半導体層110に対して、結晶を成長させるための前記成長表面を提供し、前記成長表面は、前記第一半導体層110の結晶成長を支持する。前記第一半導体層110、前記活性層120及び前記第二半導体層130は、それぞれ分子線エピタキシー法(MBE)、化学ビームエピタキシー法(CBE)、減圧エピタキシャル成長法、低温エピタキシー法、液相エピタキシー法(LPE)、選択エピタキシー法、有機金属気相エピタキシー法(MOVPE)、超高真空化学蒸着法(UHVCVD)、ハイドライド気相成長法(HVPE)及び有機金属気相成長法(MOCVD)などの一種又は数種の方法によって、結晶を成長させることができる。 In the step (S13), the three-dimensional nanostructure array 140 provides the first semiconductor layer 110 with the growth surface for growing crystals, and the growth surface is the first semiconductor layer. Supports 110 crystal growth. The first semiconductor layer 110, the active layer 120, and the second semiconductor layer 130 are respectively formed by molecular beam epitaxy (MBE), chemical beam epitaxy (CBE), low pressure epitaxial growth, low temperature epitaxy, and liquid phase epitaxy ( LPE), selective epitaxy, organometallic vapor phase epitaxy (MOVPE), ultrahigh vacuum chemical vapor deposition (UHVCVD), hydride vapor phase epitaxy (HVPE) and organometallic vapor phase epitaxy (MOCVD) Crystals can be grown by seeding methods.
成長過程において、格子欠陥が発生することを防止するために、前記第一半導体層110、前記活性層120及び前記第二半導体層130は同じ半導体材料からなることが好ましい。本実施例において、真性半導体エピタキシャル層を成長させるための原料ガスに、ドーピング要素を含むガスを導入することにより、直接的にドープされた半導体エピタキシャル層を成長させることができる。また、該ドーピング要素を変更し、成長時間を制御することにより、前記第一半導体層110、前記活性層120及び前記第二半導体層130を順に成長させることができる。 In order to prevent the occurrence of lattice defects during the growth process, the first semiconductor layer 110, the active layer 120, and the second semiconductor layer 130 are preferably made of the same semiconductor material. In this embodiment, a doped semiconductor epitaxial layer can be grown by introducing a gas containing a doping element into a source gas for growing an intrinsic semiconductor epitaxial layer. Further, the first semiconductor layer 110, the active layer 120, and the second semiconductor layer 130 can be grown in order by changing the doping element and controlling the growth time.
本実施例において、前記第一半導体層110は、ケイ素(Si)がドープされたN型GaNである。前記活性層120は、InGaN/GaNの複合構造体である。前記第二半導体層130はマグネシウムがドープされたP型GaNである。前記第一半導体層110、前記活性層120及び前記第二半導体層130を、前記有機金属気相成長法によって、前記基板100の前記成長表面101に成長させる。ここで、高純度アンモニア(NH3)を窒素源ガスとして、トリメチルガリウム(TMGa)又はトリエチルガリウム(TEGa)をガリウムの原料ガスとして、窒素又は水素又はそれらの混合気体をキャリヤーガスとして、トリメチルインジウム(TMIn)をインジウム(In)の原料ガスとして、シラン(SiH4)をケイ素の原料ガスとして、シクロペンタジエネルマグネシウム(Cp2Mg)をマグネシウムの原料ガスとして用いる。 In this embodiment, the first semiconductor layer 110 is N-type GaN doped with silicon (Si). The active layer 120 is an InGaN / GaN composite structure. The second semiconductor layer 130 is P-type GaN doped with magnesium. The first semiconductor layer 110, the active layer 120, and the second semiconductor layer 130 are grown on the growth surface 101 of the substrate 100 by the metal organic chemical vapor deposition method. Here, high purity ammonia (NH 3 ) is used as a nitrogen source gas, trimethylgallium (TMGa) or triethylgallium (TEGa) is used as a gallium source gas, nitrogen or hydrogen or a mixed gas thereof is used as a carrier gas, trimethylindium ( TMIn) is used as an indium (In) source gas, silane (SiH 4 ) is used as a silicon source gas, and cyclopentadiene magnesium (Cp 2 Mg) is used as a magnesium source gas.
本実施例において、前記第一半導体層110の成長方法は、サファイア基板を真空反応室に設置し、前記反応室を1100℃〜1200℃まで加熱し、キャリヤーガス及び窒素源ガスを反応室に導入し、前記サファイア基板を200秒〜1000秒にわたって焼成するステップ(S201)と、キャリヤーガスの雰囲気で、前記反応室の温度を500℃〜650℃まで下げ、前記反応室のガス圧を500トル〜600トルに維持し、同時にガリウムの原料ガス及び窒素源ガスを反応室に導入して、10nm〜50nmの低温GaNバッファ層(図示せず)を成長させるステップ(S202)と、ガリウムの原料ガスの導入を停止し、キャリヤーガス及び窒素源ガスの導入を維持し、前記反応室の温度を1110℃〜1200℃まで昇温し、前記反応室のガス圧を1100トル〜1200トルに維持して、30秒〜300秒にわたってアニーリング処理するステップ(S203)と、前記反応室の温度を1000℃〜1100℃に維持し、前記反応室のガス圧を100トル〜300トルに維持し、ガリウムの原料ガスを再び導入すると同時に、ケイ素の原料ガスを導入して、3μmのケイ素がドープされたN型のGaNからなる前記第一半導体層110を成長させるステップ(S204)と、を含む。 In this embodiment, the first semiconductor layer 110 is grown by placing a sapphire substrate in a vacuum reaction chamber, heating the reaction chamber to 1100 ° C. to 1200 ° C., and introducing a carrier gas and a nitrogen source gas into the reaction chamber. Firing the sapphire substrate for 200 seconds to 1000 seconds (S201), and lowering the temperature of the reaction chamber to 500 ° C. to 650 ° C. in an atmosphere of a carrier gas, and reducing the gas pressure of the reaction chamber to 500 torr to Maintaining a pressure of 600 Torr and simultaneously introducing a gallium source gas and a nitrogen source gas into the reaction chamber to grow a low temperature GaN buffer layer (not shown) of 10 nm to 50 nm (S202); The introduction was stopped, the introduction of the carrier gas and the nitrogen source gas was maintained, and the temperature of the reaction chamber was raised to 1110 ° C. to 1200 ° C. Maintaining the gas pressure in the reaction chamber at 1100 torr to 1200 torr and annealing for 30 seconds to 300 seconds (S203); maintaining the reaction chamber temperature at 1000 ° C to 1100 ° C; The first semiconductor layer 110 made of N-type GaN doped with 3 μm silicon is introduced by simultaneously introducing the gallium source gas again while maintaining the gas pressure between 100 torr and 300 torr. Growing (S204).
また、前記ステップ(S201)の後、前記ステップ(S202)の前に、前記反応室の温度を1110℃〜1200℃に保持し、ガリウムの原料ガスを反応室に導入することにより、前記低温GaNバッファ層に真性半導体層を成長させる。該真性半導体層は、前記第一半導体層110の格子不整合を更に低減させることができる。 Further, after the step (S201) and before the step (S202), the temperature of the reaction chamber is maintained at 1110 ° C. to 1200 ° C., and a source gas of gallium is introduced into the reaction chamber, whereby the low temperature GaN An intrinsic semiconductor layer is grown on the buffer layer. The intrinsic semiconductor layer can further reduce the lattice mismatch of the first semiconductor layer 110.
前記活性層120及び前記第二半導体層130の成長方法は、前記第一半導体層110の成長方法と本質的に同じである。本実施例において、前記活性層120及び前記第二半導体層130の成長方法は、前記第一半導体層110が成長するまで、ケイ素の原料ガスの導入を停止し、前記反応室の温度を700℃〜900℃に維持し、前記反応室のガス圧を50トル〜500トルに維持するステップ(S211)と、前記反応室にインジウムの原料ガスを更に導入して、InGaN/GaN系で、且つ多層の量子井戸構造体を成長させて、前記活性層120を形成するステップ(S212)と、インジウムの原料ガスの導入を停止し、前記反応室の温度を1000℃〜1100℃に維持し、前記反応室のガス圧を76トル〜200トルに維持するステップ(S213)と、前記反応室にマグネシウムの原料ガスを更に導入して、100nm〜200nmのマグネシウムがドープされたP型のGaNエピタキシャル層を成長させて、前記第二半導体層130を形成するステップ(S214)と、を含む。 The growth method of the active layer 120 and the second semiconductor layer 130 is essentially the same as the growth method of the first semiconductor layer 110. In this embodiment, the growth method of the active layer 120 and the second semiconductor layer 130 stops the introduction of the silicon source gas until the first semiconductor layer 110 is grown, and the temperature of the reaction chamber is set to 700 ° C. Maintaining the gas pressure in the reaction chamber at 50 to 500 torr (S211), and further introducing an indium source gas into the reaction chamber to form an InGaN / GaN-based multilayer Growing the quantum well structure to form the active layer 120 (S212), stopping the introduction of the indium source gas, and maintaining the temperature in the reaction chamber at 1000 ° C. to 1100 ° C. Maintaining the gas pressure in the chamber between 76 torr and 200 torr (S213), and further introducing magnesium source gas into the reaction chamber, Beam is grown GaN epitaxial layer of P-type doped, including a step (S214) of forming the second semiconductor layer 130.
前記ステップ(S14)において、前記第二半導体層130及び前記活性層120の一部をエッチングして、前記第一半導体層110の表面の一部を露出させ、前記第一半導体層110の露出された一部の表面に前記第一電極112を形成する。前記第二半導体層130及び前記活性層120をエッチングする工程は、前記第二半導体層130の表面にフォトレジストを均一にコーティングするステップ(S141)と、前記フォトレジスト層の一部を削除して、前記第二半導体層130の表面の一部を露出させるステップ(S142)と、前記フォトレジスト層が形成された前記発光ダイオード基体を真空反応室に放置して、前記反応室に四塩化ケイ素及び塩素の反応気体を導入し、グロー放電による反応気体のプラズマを生成して、前記第二半導体層130と前記活性層120と、を反応させるステップ(S143)と、を含む。前記反応気体プラズマを生成するためのグロー放電の電力は50Wである。前記反応気体塩素の流量は26sccmであり、前記反応気体四塩化ケイ素の流量は4sccmである。また、反応室の気圧は2Paである。前記第一電極112は、前記第一半導体層110の露出表面に設置される。前記第一電極112はP型電極又はN型電極であるが、前記第一半導体層110のタイプと同じでなければならない。前記第一電極112は、例えば電子ビーム蒸着法、真空蒸着法、イオンスパッタリング法等の物理気相成長法によって形成される。 In the step (S14), the second semiconductor layer 130 and a part of the active layer 120 are etched to expose a part of the surface of the first semiconductor layer 110, and the first semiconductor layer 110 is exposed. The first electrode 112 is formed on a part of the surface. The step of etching the second semiconductor layer 130 and the active layer 120 includes a step of uniformly coating a photoresist on the surface of the second semiconductor layer 130 (S141), and removing a part of the photoresist layer. Exposing a part of the surface of the second semiconductor layer 130 (S142), and leaving the light emitting diode substrate on which the photoresist layer is formed in a vacuum reaction chamber, and adding silicon tetrachloride and Introducing a reactive gas of chlorine, generating a reactive gas plasma by glow discharge, and reacting the second semiconductor layer 130 and the active layer 120 (S143). The glow discharge power for generating the reactive gas plasma is 50 W. The flow rate of the reactive gas chlorine is 26 sccm, and the flow rate of the reactive gas silicon tetrachloride is 4 sccm. The pressure in the reaction chamber is 2 Pa. The first electrode 112 is disposed on the exposed surface of the first semiconductor layer 110. The first electrode 112 is a P-type electrode or an N-type electrode, but it must be the same as the type of the first semiconductor layer 110. The first electrode 112 is formed by physical vapor deposition such as electron beam vapor deposition, vacuum vapor deposition, or ion sputtering.
前記ステップ(S15)において、前記第二電極132の製造方法は、前記第一電極112の製造方法と同じである。前記第二電極132は、前記第二半導体層130の表面全部を被覆して、設置され、且つ接触する。前記第二電極132は、P型電極又はN型電極であるが、前記第二半導体層130のタイプと同じでなければならない。 In the step (S15), the manufacturing method of the second electrode 132 is the same as the manufacturing method of the first electrode 112. The second electrode 132 is installed and contacts the entire surface of the second semiconductor layer 130. The second electrode 132 is a P-type electrode or an N-type electrode, but must be the same as the type of the second semiconductor layer 130.
(実施例2)
図7を参照すると、実施例2に係る発光ダイオード20は、基板100と、第一半導体層110と、活性層120と、第二半導体層130と、第一電極112と、第二電極132及び三次元ナノ構造体アレイ140と、を含む。前記基板100は、対向する第一表面と第二表面を含む。前記第一半導体層110、活性層120及び第二半導体層130は、前記基板100の第一表面に、該第一表面から離れる方向に順に積層される。前記第一電極112は、前記第一半導体層110に電気的に接続されている。前記第二電極132は、前記第二半導体層130に電気的に接続されている。前記三次元ナノ構造体アレイ140は、前記基板100の第二表面に形成されている。
(Example 2)
Referring to FIG. 7, the light emitting diode 20 according to Example 2 includes a substrate 100, a first semiconductor layer 110, an active layer 120, a second semiconductor layer 130, a first electrode 112, a second electrode 132, and A three-dimensional nanostructure array 140. The substrate 100 includes a first surface and a second surface that face each other. The first semiconductor layer 110, the active layer 120, and the second semiconductor layer 130 are sequentially stacked on the first surface of the substrate 100 in a direction away from the first surface. The first electrode 112 is electrically connected to the first semiconductor layer 110. The second electrode 132 is electrically connected to the second semiconductor layer 130. The three-dimensional nanostructure array 140 is formed on the second surface of the substrate 100.
実施例2の前記発光ダイオード20は、実施例1の前記発光ダイオード10と比べて、次の点が異なる。前記発光ダイオード20の、前記三次元ナノ構造体アレイ140は、前記基板100の第一表面に形成されず、前記基板100の第一表面に形成されている。即ち、前記基板100の、前記第一半導体層110に接触する表面の反対側の表面に前記三次元ナノ構造体アレイ140が形成される。 The light emitting diode 20 according to the second embodiment is different from the light emitting diode 10 according to the first embodiment in the following points. The three-dimensional nanostructure array 140 of the light emitting diode 20 is not formed on the first surface of the substrate 100 but is formed on the first surface of the substrate 100. That is, the three-dimensional nanostructure array 140 is formed on the surface of the substrate 100 opposite to the surface in contact with the first semiconductor layer 110.
図8を参照すると、前記実施例2の前記発光ダイオード20の製造方法は、実施例1の前記発光ダイオード10の製造方法と本質的に同じであるが、次の点が異なる。前記ステップ(S13)において、第一半導体層110と、活性層120と、第二半導体層130とは、前記基板100の三次元ナノ構造体アレイ140が形成された表面と反対側の表面に、順に成長する。 Referring to FIG. 8, the manufacturing method of the light emitting diode 20 of the second embodiment is essentially the same as the manufacturing method of the light emitting diode 10 of the first embodiment, except for the following points. In the step (S13), the first semiconductor layer 110, the active layer 120, and the second semiconductor layer 130 are disposed on the surface of the substrate 100 opposite to the surface on which the three-dimensional nanostructure array 140 is formed. Grows in order.
図9を参照すると、実施例3に係る発光ダイオード30は、基板100と、第一半導体層110と、活性層120と、第二半導体層130と、第一電極112と、第二電極132と、第一三次元ナノ構造体アレイ140a及び第二三次元ナノ構造体アレイ140bと、を含む。前記第一半導体層110、活性層120及び第二半導体層130は、前記基板100の一側に順に積層される。前記活性層120は、前記第一半導体層110及び前記第二半導体層130の間に設置される。前記第一電極112は、前記第一半導体層110に電気的に接続され、前記第二電極132は、前記第二半導体層130に電気的に接続されている。前記第一三次元ナノ構造体アレイ140aは、前記基板100の、前記第一半導体層110に隣接する表面に形成されている。前記第二三次元ナノ構造体アレイ140bは、前記基板100の、前記第一半導体層110から離れる表面に形成されている。 Referring to FIG. 9, the light emitting diode 30 according to Example 3 includes a substrate 100, a first semiconductor layer 110, an active layer 120, a second semiconductor layer 130, a first electrode 112, and a second electrode 132. , A first three-dimensional nanostructure array 140a and a second three-dimensional nanostructure array 140b. The first semiconductor layer 110, the active layer 120, and the second semiconductor layer 130 are sequentially stacked on one side of the substrate 100. The active layer 120 is disposed between the first semiconductor layer 110 and the second semiconductor layer 130. The first electrode 112 is electrically connected to the first semiconductor layer 110, and the second electrode 132 is electrically connected to the second semiconductor layer 130. The first three-dimensional nanostructure array 140 a is formed on the surface of the substrate 100 adjacent to the first semiconductor layer 110. The second three-dimensional nanostructure array 140b is formed on the surface of the substrate 100 away from the first semiconductor layer 110.
実施例3の前記発光ダイオード30は、実施例1の前記発光ダイオード10と比べて、次の点が異なる。前記発光ダイオード30において、前記基板100の前記第一半導体層110に接触する表面の反対側の表面に、更に、前記三次元ナノ構造体アレイ140bが形成されている。 The light emitting diode 30 according to the third embodiment is different from the light emitting diode 10 according to the first embodiment in the following points. In the light emitting diode 30, the three-dimensional nanostructure array 140 b is further formed on the surface of the substrate 100 opposite to the surface in contact with the first semiconductor layer 110.
前記第一三次元ナノ構造体アレイ140aは、複数の第一三次元ナノ構造体142aを含む。前記第二三次元ナノ構造体アレイ140bは、複数の第二三次元ナノ構造体142bを含む。前記複数の第一三次元ナノ構造体142a及び前記複数の第二三次元ナノ構造体142bが、全て、ストリップ状の突部である場合、前記複数の第一三次元ナノ構造体142aの延伸方向は、前記複数の第二三次元ナノ構造体142bの延伸方向と同じであるか、又は任意の角度で交差すれば良く、好ましくは、垂直に交差される。 The first three-dimensional nanostructure array 140a includes a plurality of first three-dimensional nanostructures 142a. The second three-dimensional nanostructure array 140b includes a plurality of second three-dimensional nanostructures 142b. When the plurality of first three-dimensional nanostructures 142a and the plurality of second three-dimensional nanostructures 142b are all strip-like protrusions, the plurality of first three-dimensional nanostructures 142a The stretching direction may be the same as the stretching direction of the plurality of second three-dimensional nanostructures 142b, or may intersect at any angle, and preferably intersects vertically.
更に、前記発光ダイオード30は、反射層を含み、前記第二半導体層130及び前記第二電極132の間に設置される。 Further, the light emitting diode 30 includes a reflective layer and is disposed between the second semiconductor layer 130 and the second electrode 132.
図10を参照すると、実施例3に係る発光ダイオード30の製造方法は、前記基板100を提供するステップ(S11)と、前記基板をエッチングして、基板本体105の表面から、該表面を離れる方向に向かって突出する前記三次元ナノ構造体アレイ140aを形成するステップ(S12)と、前記三次元ナノ構造体アレイ140aに、前記第一半導体層110と、前記活性層120と、前記第二半導体層130と、を順に成長させるステップ(S13)と、前記第一電極112を形成して、前記第一半導体層110に電気的に接続するステップ(S14)と、前記第二電極132を形成して、前記第二半導体層130に電気的に接続するステップ(S15)と、前記基板100の、前記第一半導体層110に接触された表面の反対側の表面に、前記三次元ナノ構造体アレイ140bを形成するステップ(S16)と、を含む。 Referring to FIG. 10, in the method of manufacturing the light emitting diode 30 according to the third embodiment, the step of providing the substrate 100 (S <b> 11) and the direction in which the substrate is etched away from the surface of the substrate body 105. Forming the three-dimensional nanostructure array 140a projecting toward the surface (S12), and adding the first semiconductor layer 110, the active layer 120, and the second semiconductor to the three-dimensional nanostructure array 140a. The step of growing the layer 130 in sequence (S13), the step of forming the first electrode 112 and electrically connecting to the first semiconductor layer 110 (S14), and the step of forming the second electrode 132. Electrically connecting to the second semiconductor layer 130 (S15), and a surface of the substrate 100 opposite to the surface in contact with the first semiconductor layer 110. To include a step (S16) of forming the three-dimensional nano-structure array 140b.
前記実施例3の前記発光ダイオード30の製造方法は、実施例1の前記発光ダイオード10の製造方法と比べて、次の点が異なる。前記実施例3の前記発光ダイオード30の製造方法は、更に、前記基板100の、前記第一半導体層110に接触する表面の反対側の表面に、前記第二三次元ナノ構造体アレイ140bを形成するステップ(S16)を含む。 The manufacturing method of the light emitting diode 30 of the third embodiment is different from the manufacturing method of the light emitting diode 10 of the first embodiment in the following points. In the method of manufacturing the light emitting diode 30 according to the third embodiment, the second three-dimensional nanostructure array 140b is further formed on the surface of the substrate 100 opposite to the surface in contact with the first semiconductor layer 110. Forming (S16).
前記第二三次元ナノ構造体アレイ140bを形成する方法は、実施例1に記載された三次元ナノ構造体アレイ140を形成する方法と同じである。 The method of forming the second three-dimensional nanostructure array 140b is the same as the method of forming the three-dimensional nanostructure array 140 described in Example 1.
10、20、30 発光ダイオード
100 基板
105 基板本体
110 第一半導体層
112 第一電極
120 活性層
130 第二半導体層
1421 三次元ナノ構造体予備成形物
1426 第一溝
1428 第二溝
103 マスク層
1031 突部構造
1032 第一マスク層
1033 溝
1034 第二マスク層
132 第二電極
140a 第一三次元ナノ構造体アレイ
140 三次元ナノ構造体アレイ
140b 第二三次元ナノ構造体アレイ
142a 第一三次元ナノ構造体
142 三次元ナノ構造体
142b 第二三次元ナノ構造体
1422 第一突部
1424 第二突部
1422a、1424a 第一面
1422b、1424b 第二面
200 金型
10, 20, 30 Light emitting diode 100 Substrate 105 Substrate body 110 First semiconductor layer 112 First electrode 120 Active layer 130 Second semiconductor layer 1421 Three-dimensional nanostructure preform 1426 First groove 1428 Second groove 103 Mask layer 1031 Projection structure 1032 First mask layer 1033 Groove 1034 Second mask layer 132 Second electrode 140a First three-dimensional nanostructure array 140 Three-dimensional nanostructure array 140b Second three-dimensional nanostructure array 142a First third Dimensional nanostructure 142 Three-dimensional nanostructure 142b Second three-dimensional nanostructure 1422 First protrusion 1424 Second protrusion 1422a, 1424a First surface 1422b, 1424b Second surface 200 Mold
Claims (2)
前記基板が、対向する第一表面及び第二表面を含み、
前記第一半導体層、前記活性層及び前記第二半導体層が、前記基板から離れる方向に沿って、前記基板の第一表面に順に積層され、
前記第一電極が、前記第一半導体層に電気的に接続され、
前記第二電極が、前記第二半導体層に電気的に接続され、
前記基板の第二表面が、前記発光ダイオードの光出射面であり、
前記基板が、前記基板の第二表面に、一次元アレイの形式によって設置された複数の三次元ナノ構造体を有し、
前記三次元ナノ構造体は、M型のストリップ状の突起構造体であり、前記複数のM型のストリップ状の突起構造が、前記第二表面の一端から対向する他端までそれぞれ延在し、
各々の前記三次元ナノ構造体が、一つの第一突部と一つの第二突部とを含み、
前記第一突部と前記第二突部とが、互いに並列して、同じ方向に延伸し、
各々の前記三次元ナノ構造体の前記第一突部と前記第二突部との間には、一つの第一溝が形成され、
各々の前記隣接する二つの三次元ナノ構造体の間には、一つの第二溝が形成され、前記第二溝の深度が、前記第一溝より深く、前記第二溝の断面の形状がV型であることを特徴とする発光ダイオード。 A light emitting diode comprising a substrate, a first semiconductor layer, a second semiconductor layer, an active layer, a first electrode and a second electrode,
The substrate includes opposing first and second surfaces;
The first semiconductor layer, the active layer, and the second semiconductor layer are sequentially stacked on the first surface of the substrate along a direction away from the substrate,
The first electrode is electrically connected to the first semiconductor layer;
The second electrode is electrically connected to the second semiconductor layer;
The second surface of the substrate is a light emitting surface of the light emitting diode;
The substrate has a plurality of three-dimensional nanostructures disposed in the form of a one-dimensional array on the second surface of the substrate;
The three-dimensional nanostructure is an M-shaped strip-shaped projecting structure, and the plurality of M-shaped strip-shaped projecting structures respectively extend from one end of the second surface to the opposite end.
Each of the three-dimensional nanostructures includes one first protrusion and one second protrusion,
The first protrusion and the second protrusion are parallel to each other and extend in the same direction,
A first groove is formed between the first protrusion and the second protrusion of each of the three-dimensional nanostructures,
Between the two three-dimensional nanostructures each of said adjacent is formed a second groove, the depth of the second groove is the first groove than deeply, the shape of the cross section of the second groove Is a V-type light emitting diode.
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